强非线性波对护岸结构的冲击与破坏数值研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:szcarla
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在沿岸修建防波堤等护岸结构可以有效阻挡波浪入侵,以保护港口设施和人员安全。但在强非线性波的冲击作用下,防波堤自身容易受到严重破坏。相较于传统直立式和斜坡式防波堤,“┓型”防波堤可以有效防止越浪发生,但在遭受波浪冲击时,其角点附近通常存在较大冲击压强,难以保证“┓型”防波堤安全地应用于实际工程领域。除此以外,沿岸堤面上的护面砖块在受到极端波浪的冲击作用后也同样会发生破坏。因此,本文基于SPH法开展了护岸结构在强非线性波作用下的冲击与破坏模拟研究工作,主要研究内容和结论如下:(1)首先,本文基于Dual SPHysics v4.4开源程序,采用CUDA 11.1并行框架,成功搭载GPU并行加速模块,使得计算效率有很大程度地提高。通过对边界粒子的密度进行修正并将公式植入源程序对动边界条件进行改进,有效地解决了粒子在固壁边界处被截断问题,极大地提升了SPH方法的数值计算精度。(2)本文通过建立二维和三维数值模型,分别开展了二阶Stokes波和溃坝波的造波验证工作,探究了粒子间距对造波精度的影响。随后,开展波浪冲击“┓型”防波堤数值模拟研究工作,捕捉到波浪在和“┓型”防波堤相互作用过程中,自由液面发生的破碎、翻卷和溅射等大变形现象,验证了SPH法在处理大变形问题上独特优势。除此以外,本文提取了“┓型”防波堤上十个压强测点的P1/3压强统计值,并将SPH数值解与物理模型试验结果进行对比,验证了SPH法在计算结构物所受水平向和垂向波浪荷载的准确性。(3)本文在三维数值水槽中布置2个固定障碍物,模拟了立方体在受到强非线性波冲击作用后的运动情况。从立方体在不同时刻的位置图、立方体质心在x和z方向上的位移时历曲线和两个障碍物前自由液面变化这三个方面和物理模型试验结果进行对比分析,完成了立方体在强非线性波冲击作用下的运动轨迹验证工作。(4)本文对“┓型”防波堤角点做倒直角和倒圆角两种优化处理方式。与原结构对比,两种优化以后的“┓型”防波堤所受冲击压力峰值以及上角点位置的压强都显著减小。通过提取波浪冲击三种结构物的速度分布云图,发现两种优化处理方式可使水质点在倒角处的上角点位置不再出现二次聚集现象。其次,位于角点处的水质点在z方向上的速度也不再增加。因此,通过对倒角进行优化处理,可以改变波浪在角点处传播时的流态和流速,使角点处的波能得到更好地耗散,从而使角点附近位置所受砰击压强能够有效降低。(5)最后,本文开展了护面砖块在强非线性波冲击作用下的三维数值模拟研究工作。研究发现沿岸区域前排位置所受冲击压强峰值最大,并随远离沿岸区域逐渐减小,最后趋于稳定状态。考虑三维效应可真实记录护面砖块在强非线性波冲击作用下的运动破坏过程。结果表明,沿岸区域前排位置遭受破坏最为严重,其中部分护面砖块受入射波影响较大,沿入射波方向发生运动破坏;第一排的部分护面砖块会受到反射波影响,从而作反方向运动。总而言之,本文通过采用GPU并行加速和对动边界方法进行改进,可使SPH法用于开展护岸结构在强非线性波作用下的冲击和破坏模拟研究工作。其次,通过对“┓型”防波堤角点进行倒直角和倒圆角优化处理,可有效地提高其在实际工程应用中的安全性和稳定性。最后,SPH法较好地模拟出护面砖块在强非线性波冲击作用下的运动和最后破坏情况,可为防灾减灾工作提供一定指导依据。
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