波浪作用下斜坡堤護面塊體失穩和破壞過程的精細模擬

《波浪作用下斜坡堤護面塊體失穩和破壞過程的精細模擬》是依託大連理工大學,由任冰擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：波浪作用下斜坡堤護面塊體失穩和破壞過程的精細模擬
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：任冰

項目摘要

在惡劣海況下，斜坡式防波堤的混凝土護面塊體在波浪作用下會出現晃動和移位的水力失穩現象以及應力破壞的結構失穩現象。由於波浪與斜坡堤護面層的相互作用是一個涉及多種介質、多物理場和多尺度效應的複雜問題，目前國內外研究成果對複雜離散結構體系內的流場變化特性、波能衰減規律以及塊體內應力分布和斷裂機理等知之甚少。本課題旨在通過建立一個精細模擬波浪作用下斜坡堤護面塊體失穩和破壞過程的三維流固耦合數值模型，開展斜坡堤離散護面塊體周圍的複雜三維流場變化特性、波能衰減規律以及塊體失穩和斷裂機理的基礎研究，得到複雜形狀護面塊體空隙內的流速、壓力以及塊體內部應力隨時間和空間的變化規律，研究成果將改變目前斜坡式防波堤主要設計參數的確定依賴物理模型試驗的現狀，解決無法定量評估斜坡式防波堤護面塊體穩定性的難題，為斜坡式防波堤的設計、施工和修復提供一個新的技術手段。

結題摘要

波浪與斜坡式防波堤的相互作用涉及到多種複雜的水動力過程（波浪破碎、越浪、非線性滲流）和多種介質（離散塊體結構和連續多孔介質）的耦合作用，數值模擬流體與相互之間有接觸作用的複雜形狀離散介質的耦合作用是流固耦合力學中的很有挑戰性的難題。本項目基於SPH水動力模型結合有限離散單元法（FEM/DEM）以及流固耦合算法精細模擬了波浪與複雜形式離散結構的耦合作用及連續多孔介質內的滲流過程。 建立了基於SPH方法的多孔介質滲流模型：（一）推導了多孔介質內的體積平均的湍流運動控制方程VAFANS，採用亞粒子（SPS）紊流模式封閉控制方程，在VAFANS方程中引入了非線性滲流阻力項以反映介質骨架對孔隙內流體的阻力作用。（二）通過在計算域的背景格線里定義孔隙率信息和引入表征物理量，將不同孔隙率的介質內流動的控制方程形式統一，避免了在同一計算域內使用不同形式的控制方程，實現了對不同介質內流動的統一描述。（三）提出了不同介質邊界處的過渡區邊界條件，流體粒子的拉格朗日特性和過渡區內孔隙率的連續變化保證了介質內外流場和壓力場的連續。 建立了基於SPH-FEM/DEM的三維流固耦合模型：（一）採用multi-sphere DEM方法描述離散結構的複雜形狀及相互勾連的不同個體間的接觸判斷，通過判斷和限制離散個體間的接觸疊合量，依據使計算儘快穩定的原則計算相鄰離散結構間的接觸力。（二）提出了適合SPH法和DEM方法的流固交界面處的邊界力條件，流體粒子需滿足不可穿透物面邊界條件，固體粒子作為可動固邊界滿足其運動邊界條件。（三）為反映出離散結構在外荷載作用下的變形和應力分布情況，引入FEM/DEM算法，顯式求解FEM程式得到塊體內部的應力分布特徵。（四）結合所建立的SPH滲流模型，實現了波浪與由不同介質組成的複雜結構耦合作用的精細模擬，可確定作用於複雜形狀離散結構附近的流體壓力、粘性力和相鄰離散個體間接觸力的變化特性、離散個體的運動特性和內部應力場的分布特徵以及連續多孔介質內的滲流特徵。 上述耦合數學模型為研究複雜流固耦合力學問題提供了新的計算方法和基礎計算程式，在研究流體與複雜離散結構的強非線性耦合作用方面取得了實質性的進展。研究成果發表于海岸工程有影響力的國際學術期刊如Coastal Engineering等。