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三维波浪大涡模拟及其对结构的动态效应研究

白志刚  
【摘要】:该论文围绕波浪与结构相互作用问题,对海岸工程波浪数学模型进行了全面分析,采用拉-欧斜线VOF 法跟踪波面,沿着垂向二维RANS 方程与三维LES 方程两条主线,分别建立了2DRANS-VOF 模型和3DLES-VOF 模型,并对多种情形下波浪变形和与建筑物相互作用实例进行研究。表明了模型的广泛应用前景。主要成果如下: 1. 提出一种高精度的拉-欧斜线VOF 法的自由面重构算法。采用PLIC 方法确定施主单元斜平面,按各单元表面拉格朗日局部速度移动单元流体体积,使用新的流体体积覆盖原欧拉单元,重构自由面,流出单元的流体体积分配到新的受主网格。 2. 建立了垂向二维波浪数学模型(2DRANS-VOF)。使用k ?ε模型封闭二维波浪控制方程,采用二步映射法进行有限差分的空间离散,利用新型VOF 法确定自由表面的位置。入射边界采用可吸收造波机边界条件,出流边界采取Sommerfield 辐射条件前加海绵层消波。 3. 采用2DRANS-VOF 计算了不同波况下潜堤的波浪变形,与经典实验数据比较,验证了数模的可靠性;模拟了透浪基床直立式防波堤附近波面过程和波浪荷载。说明2DRANS-VOF 模型可以较好解决近岸区非线性波浪变形和波浪与二维垂向建筑物相互作用计算问题。 4. 海岸动力和结构动力实为一体,对通用结构程序ANSYS 进行二次开发,首次将随机波浪荷载引入到ANSYS 软件中,并将2DRANS-VOF 模型与ANSYS 结合起来,研究了时域波浪作用下直立式防波堤结构的动力响应特性。 5. 在三维波浪大涡模拟中采用破开算子法,控制方程分裂为对流项、扩散项和生成项三部分。成功地将QBC 差分格式应用于大涡模拟对流项中,既即缩短了计算时间,亦可消除数值耗散和振荡。 6. 建立了基于大涡模拟和新型VOF 方法的三维波浪数学模型(3DLES-VOF)。基于大涡模拟方程,使用k ?l模型封闭三维波浪控制方程,利用三维VOF 法确定自由表面的位置,压力泊松方程采用SOR 法计算水体内部各点的压强值。数值试验表明所建立的数值波浪水池具有较好的波浪特性,凭借于此,在将来可望建立完善稳定的海岸动力软件系统。 7. 开展了三维波浪大涡模拟数值模型在工程中的应用。首先采用该模型模拟了波浪在斜坡上的传播和破碎过程。其次对直立方柱、直立圆柱湍流波浪场、压力场进行了三维波浪大涡模拟,并且动态显示了直立圆柱露出、半露出和淹没三种情况下波浪对直立圆柱的冲击作用和湍流变化过程。


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