基于格子Boltzmann方法的数值波浪水槽研究

来源 :天津大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:curarchy
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
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。
其他文献
法律法规、政策管制等正式制度的构建与执行,对经济社会的稳定长远发展有着重要的推动作用。特别地,对于发展中国家或转型经济体来说,正式制度是维持市场秩序、促进经济社会
光热治疗(PTT)作为一种新兴的治疗手段受到广泛关注。纳米PTT技术依赖在近红外(NIR)处强吸收的纳米试剂(光热试剂)将光能转变为热能,从而实现杀死肿瘤细胞或细菌的目的,具有适用范
微小RNA(microRNA)参与了 2型糖尿病(T2D)发生发展的多个环节,调节胰岛β细胞功能的microRNA已成为研究T2D的核心领域。发现人类胰岛中microRNA的表达水平,并探讨对胰岛β细
两性离子聚合物材料优异的抗蛋白质非特异性吸附性能衍生出其优异的抗细胞粘附和抗免疫排斥反应的特性。本论文以两性离子聚合物或两性离子改性天然多糖为基材制备了多功能抗
大跨空间结构广泛应用于机场、火车站与会展中心等大型公共建筑,单层球面网壳兼有杆系结构与薄壳结构的优点与特性,是大跨空间结构的主要形式之一。强震观测表明地震作用下大
背景:了解诱导学习和记忆障碍的分子机制仍然是一个挑战。最近的研究表明,应用(S)-3,5-二羟基苯甘氨酸((S)-3,5-Dihydroxyphenylglycine,DHPG)可激活体外培养的海马神经元中
太赫兹技术在通信、雷达成像、安全检测、医学诊断和光谱分析等方面具有很大的应用潜力。在无线通信领域,太赫兹频段更多的宽带资源、更小的信号波长、独特的信道传输特性使
本文以区域电力-燃气综合能源系统为对象,针对涉及该系统的关键设备建模、统一状态估计算法开发、多种能源优化分配和规划方法、运行策略和评估等问题开展研究,主要工作介绍
分离CO2膜技术凭借其能耗低、操作弹性大等优势,在天然气、合成气等能源气体纯化和温室气体减排等领域具有重大应用前景。然而,目前商品膜的CO2分离性能不够高,限制了其大规
中国沿海地区普遍分布着含水率高、孔隙比大且强度较低的软土地基,当其作为结构物地基时,往往会受到长期循环荷载的作用。风浪等循环荷载作用下软黏土地基的稳定性是工程中亟