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通过数值波浪水槽来研究波浪与结构物或构筑物的相互作用,对于保证海工设施的安全具有重要意义。现有各种数值波浪水槽在复杂情况下的并行效率方面存在瓶颈,因此寻求新的数值方法开发具有更高并行效率的数值计算模型和程序有着重要的科学价值和实际意义。为此,本文基于格子Boltzmann方法发展了三维数值波浪水槽模型,并编制高效并行计算程序,对模型进行了验证。本文的具体研究内容和结论如下。(1)在具有自由表面的不可压多松弛LB模型基础上,对其数值算法进行了改进,提高了数值稳定性,建立了三维自由表面流动数值模型。理想算例和数值模拟与实验结果对比表明,模型具备模拟重力作用下自由表面复杂运动的能力。(2)在自由表面流动数值模型基础上,结合动量源造波和海绵层消波方法建立了二维无反射数值波浪水槽(LBM-NWT2D)。理想算例和数值模拟与实验结果对比表明,LBM-NWT2D具备无反射造波、模拟波浪与结构物相互作用以及波浪破碎过程的能力。数值算例也发现了模型自由表面出现非物理流动的现象。(3)通过分析带作用力项的格子Boltzmann方程,得到了边界数值格式引起的数值误差。提出修正压强和作用力项修正项两种改进方法,解决了能量耗散和非物理流动问题。理想算例和数值模拟与实验结果对比表明,两种改进模型都能够解决能量耗散问题,修正压强法更简单实用,而作用力修正项适用范围更广。(4)在改进的三维自由表面流动数值模型基础上,使用主动吸收式速度入口造波以及消波方法建立了三维无反射数值波浪水槽(LBM-NWT3D)。通过数值试验讨论了速度边界格式、马赫数、格子常数、多松弛碰撞模型以及松弛参数对模拟结果的影响,并对模型进行了优化改进。数值实验与解析解结果对比表明,LBM-NWT3D具有无反射造波以及计算结构物上的波浪荷载的能力。数值实验与实验测量结果对比表明,LBM-NWT3D具备模拟波浪受结构物或地形作用产生的反射、绕射、折射、爬坡和破碎等现象的能力。(5)基于C++语言编写了并行程序,优化了程序在“天河-1A”超算平台上的计算效率。数值试验结果表明,LBM-NWT在使用128个计算节点时,加速比达到了127.2,具有较高的并行可拓展性。使用16个计算节点时,对比基于Open FOAM的数值波浪水槽(OF-NWT),基于LBM的数值波浪水槽的计算效率是OF-NWT的5.3倍,更适用于在超算平台上解决工程实际问题。