漫滩溃决水流与近岸建筑物的相互作用规律研究

来源 :宁波大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:FriedaCao
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中国海岸线较长,温带、亚热带和热带构成了沿海地区复杂的海洋环境。海洋给各个地区带来可观的经济效益和利润的同时,也带来了一些较为严重的甚至不可逆转的海洋灾害,如:风暴潮、巨浪、海冰、海啸等。研究表明,风暴潮灾害造成的损失是我国各种海洋灾害中最大的。目前我国的减灾工作以海洋灾害风险评估为主,随着海洋减灾工作的深入,区域性的风暴潮漫滩决堤对重点区域的影响也是一项重要的课题。因此为了让沿海地方能够加强灾害风险管理、提高减灾能力以及有效防止和减轻海洋灾害损失,有必要展开漫滩溃决水流与近岸建筑物的相互作用规律的研究,对建筑物影响下的海堤溃决海水的流动规律进行模拟和计算。  目前系统地研究溃口和建筑物对溃决水流的影响还不多见。本文采用格子Boltzmann方法(lattice Boltzmann method,LBM,并运用了二维九速(D2Q9)模型,研究了漫滩溃决水流与近岸建筑物的相互作用规律,着重模拟了建筑物对水流流动形态的影响,对不同溃口形态也进行了数值模拟。本文通过模拟三个浅水流问题:外力驱动浅水流、流量驱动浅水流和多建筑物影响下的浅水流,验证了所编制的LBM程序的正确性。其次为了加快计算速度,本文实现了浅水流模拟的GPU计算,实现了高达100倍的加速性能。最后,本文模拟了不同溃口(溃口大小、溃口位置和溃口流量)和不同建筑物(建筑物密度、建筑物排列和建筑物形状)情形下溃决水流的水位和流动形态,结果表明随着溃口处流量的不断增大,下游的水流从对称的稳定流动转变为不对称的稳定流动,最后再过渡到非稳态的流动;建筑物相对流道纵向排列时,上游的水位被提高,极大地影响了水流的流动形态,并得出了水流受方柱形建筑物的影响最大的结论。全文共分为六章:  第一章:系统地阐述了漫滩溃决水流的研究背景和意义、国内外研究现状,以及本文的主要研究内容和方法。  第二章:详细介绍了格子Boltzmann方法,包括格子Boltzmann方法的起源、格子Boltzmann方程、格子Boltzmann方法基本模型等,其次介绍了格子Boltzmann方法在浅水波模拟中的应用及优势。  第三章:针对实际情况可能发生的溃坝流问题,构建相应的数学模型,包括控制方程和初边界条件。基于建立的数学模型,发展相应的LB计算模型和边界处理方法。并实现了基于格子方法的浅水流问题的LB计算程序,并设计了相应的高性能GPU算法,得到了三个浅水流问题的加速比。  第四章:开展了溃决水流在溃口和建筑物影响下的数值模拟研究。主要设计了溃口流量、溃口大小和溃口位置等不同情况对建筑物影响下的溃决水流流动和水位的影响,还考虑了建筑排列、建筑物密度和建筑物形状对水流流动和水位的影响。  第五章:总结了溃口和建筑物对水流流动情况的影响的主要结论,阐述了研究过程及对今后的展望。
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