非线性波浪与可渗结构相互作用的SPH模型
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图片说明:斥力边界布置
[Abstract]:The interaction between wave and permeable structure includes hydrodynamic processes such as wave reflection, transmission, wave crossing and breakage, which involves many nonlinear physical effects, such as turbulence, seepage and dissipation, and is a nonlinear seepage mechanics problem with complex action mechanism. In recent years, with the global warming and sea level rise, the threat of marine disasters faced by coastal protection structures is becoming more and more serious. It is of great scientific significance and engineering application value to study the interaction between waves and permeable structures. In this paper, on the basis of modifying the continuity of kernel function of smooth particle hydrodynamics (SPH) method, a new calculation model of solid wall particle pressure is proposed to solve the problems of particle distribution disorder at the boundary of the original SPH method, the shock of pressure field near the solid wall boundary and the separation or penetration of fluid particles from the solid boundary. Based on the coupling algorithm of MPI spatial domain decomposition and OpenMP data decomposition, combined with dynamic load balancing technology, a hybrid MPI-OpenMP parallel algorithm suitable for modern computing cluster resource allocation is proposed, which solves the bottleneck problem of low computational efficiency of 3D SPH mathematical model. The active absorption wave generation boundary conditions, periodic side boundary conditions and artificial viscous wave elimination boundary conditions suitable for meshless particle method are proposed, and the periodic wave numerical wave flume / pool based on SPH algorithm is established. Based on the SPH numerical wave flume / pool and the nonlinear seepage constitutive relation, a two-dimensional and three-dimensional turbulence model is established to simulate the flow of nonlinear waves in porous media structures. The double average turbulence governing equation (VAFANS), turbulent stress in the form of volume average / Favre average is deduced. The subparticle turbulence model is used to simulate the turbulent stress, and the nonlinear seepage resistance term is introduced to reflect the resistance effect of the solid skeleton of the medium on the fluid in the pore. By setting the background grid defining porosity information in the computational domain and introducing the concept of characterization density, the governing equations of fluid motion in the free flow region and the seepage region with different porosity are unified, so as to avoid the pressure shock and velocity jump near the interface of different media caused by different forms of governing equations in the whole computational domain. The boundary conditions of the transition zone and the suitable width of the transition zone at the interface of different media are put forward, which ensures the calculation accuracy of the flow field and pressure field at the interface of porous media. The numerical results show that the two-dimensional SPH seepage model can simulate the propagation of dam-break wave in permeable dam more accurately than other numerical models, the attenuation of wave on different permeable sea bed, the deformation, roll-up, breakage and surging process of wave passing through permeable dike or outlet embankment, as well as the distribution characteristics of flow field and turbulent energy near permeable structure. The three-dimensional SPH seepage model can accurately simulate the seepage square column of dam-break wave impact, the diffraction of solitary wave at the permeable embankment, and the three-dimensional hydrodynamic characteristics near the segmented offshore submersible embankment under the action of periodic wave. The complex wave surface evolution process and the spatial distribution characteristics of average water level and wave-generated current around the permeable structure can be accurately captured.
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2016
【分类号】:TV139.2
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,本文编号:2510719
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