強(qiáng)非線性自由表面流的數(shù)值模型和應(yīng)用

大連理工大學(xué)

強(qiáng)非線性自由表面流的數(shù)值模型和應(yīng)用

大連理工大學(xué)

大連理工大學(xué)海岸和近海工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于1986 年由國(guó)家計(jì)委批準(zhǔn)籌建，1990年通過國(guó)家驗(yàn)收后被批準(zhǔn)對(duì)國(guó)內(nèi)外開放，1994年、1997年、2003年和2008年四次通過了國(guó)家計(jì)委委托國(guó)家自然科學(xué)基金委組織的評(píng)估。實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有水利工程、土木工程兩個(gè)一級(jí)學(xué)科博士點(diǎn)和博士后流動(dòng)站，其中港口、海岸和近海工程二級(jí)學(xué)科為國(guó)家重點(diǎn)學(xué)科和“211工程”建設(shè)重點(diǎn)學(xué)科。實(shí)驗(yàn)室有研究與技術(shù)人員62人，其中兩院院士4人、國(guó)家杰出青年基金獲得者7人、長(zhǎng)江學(xué)者獎(jiǎng)勵(lì)計(jì)劃特聘教授5人、入選教育部跨世紀(jì)人才培養(yǎng)計(jì)劃3人。

實(shí)驗(yàn)室擁有可模擬產(chǎn)生海浪、海流和潮汐等綜合作用的多功能水池；低、高頻（長(zhǎng)、短周期）復(fù)合造波系統(tǒng)；大波流水槽；渾水水槽；溢油水槽；海洋環(huán)境水槽；非線性波浪水槽；冰區(qū)溢油環(huán)境實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)；電液伺服結(jié)構(gòu)疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)；二維水下地震模擬系統(tǒng)；大型高精度靜動(dòng)三軸儀；土工靜力－動(dòng)力液壓三軸－扭轉(zhuǎn)多功能剪切儀；基于PIV&LIF的流速場(chǎng)、濃度場(chǎng)同步測(cè)試系統(tǒng)等。

實(shí)驗(yàn)室主要研究方向包括:海洋動(dòng)力因素與海岸、海床和結(jié)構(gòu)物的相互作用； 海洋環(huán)境污染的動(dòng)態(tài)分析與防治；海岸和近海工程結(jié)構(gòu)體系及其全壽命性能評(píng)定和設(shè)計(jì)；海岸和近海工程系統(tǒng)的安全防護(hù)與防災(zāi)減災(zāi)；海岸和近海工程系統(tǒng)的數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)?zāi)M技術(shù)。

“強(qiáng)非線性自由表面流的數(shù)值模型和應(yīng)用”項(xiàng)目在國(guó)家863計(jì)劃、自然科學(xué)基金、教育部重大項(xiàng)目等資助下，基于計(jì)算流體力學(xué)的新發(fā)展建立了求解強(qiáng)非線性自由表面流動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，并將其應(yīng)用于研究波浪破碎與沖擊、液體晃蕩、波浪與新型港工結(jié)構(gòu)及基床間的耦合作用等諸多強(qiáng)非線性復(fù)雜自由表面流動(dòng)問題。主要包括以下研究?jī)?nèi)容：

一是基于湍流數(shù)學(xué)模型和可以處理多重自由水面的流體體積法（VOF）建立了求解非線性自由表面流的數(shù)值模型。為能反映出波浪破碎與沖擊過程的湍流特征,進(jìn)一步以湍流運(yùn)動(dòng)方程——雷諾方程及修正的 模型封閉雷諾方程為控制方程；控制方程中的對(duì)流項(xiàng)采用了三階迎風(fēng)差分格式,克服了原VOF方法中對(duì)流項(xiàng)的差分格式精度低于二階存在數(shù)值粘性，在一定程度上掩蓋了實(shí)際物理粘性影響的缺陷；提出了適合VOF方法的主動(dòng)吸收式無反射隨機(jī)波數(shù)值造波機(jī)速度邊界條件。該模型成功地克服了邊界積分法研究波浪的卷破過程時(shí)，存在鋸齒形不穩(wěn)定性、不能考慮粘性影響且只能計(jì)算到波峰開始傾覆時(shí)為止的缺陷，避免了應(yīng)用質(zhì)點(diǎn)標(biāo)記法在描述波浪破碎過程中的水體分離與多重自由表面情形時(shí)所遇到嚴(yán)重困難。

發(fā)展了SPH湍流數(shù)值模型和DEM離散結(jié)構(gòu)模型及雙向流固耦合算法，建立了模擬波浪作用下離散結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、變形和破壞的流固耦合數(shù)學(xué)模型。水動(dòng)力條件采用通過黎曼解和CSPM方法修正后的SPH方法模擬，解決了原SPH方法在處理自由表面邊界時(shí)積分域缺失的問題；結(jié)構(gòu)物邊界處設(shè)置了適合的固壁邊界條件。結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)采用DEM方法模擬，結(jié)構(gòu)形狀用multi-sphere方法描述。通過判斷離散結(jié)構(gòu)間的接觸疊合量計(jì)算相鄰結(jié)構(gòu)間的接觸力。流固交界面滿足界面力平衡條件，SPH方法和DEM方法的拉格朗日共性，保證了流體和固體交界處動(dòng)邊界的移動(dòng)性和相容性。上述數(shù)學(xué)模型為研究強(qiáng)非線性波浪力學(xué)提供了新的有效方法，為研究流體與離散結(jié)構(gòu)及其基床的強(qiáng)非線性耦合作用提供了基礎(chǔ)計(jì)算程序。

二是將二維VOF方法在任意容器邊界處理、單元體之間流體交換模式等方面進(jìn)行了改進(jìn)后推廣到三維情形，提出了判別自由表面位置和方向的優(yōu)化方法,流體在單元體之間的交換采用了任意六面體模型,在任意容器壁面邊界的處理上改進(jìn)了Torrey等人的部分單元體法,考慮了壁面邊界的位置和方向,使得邊界面上的速度邊界條件得到更好地滿足。首次成功地?cái)?shù)模出由于動(dòng)力不穩(wěn)定性引起的矩形容器遭受豎向簡(jiǎn)諧振蕩時(shí)容器內(nèi)液體表面的半頻率波動(dòng)及圓柱容器遭受水平強(qiáng)迫振蕩時(shí)容器內(nèi)液體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特征并與Abramson等人的試驗(yàn)結(jié)果符合很好,在應(yīng)用數(shù)模方法研究流體動(dòng)力不穩(wěn)定性方面取得了重要進(jìn)展,達(dá)到世界領(lǐng)先水平。同時(shí)在液體對(duì)容器頂部的沖擊壓力特征及液體晃蕩的主動(dòng)式控制方法研究方面取得了很好的成果。

三是應(yīng)用基于VOF方法的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合水面與結(jié)構(gòu)物接觸與分離邊界條件、貼體網(wǎng)格和多重網(wǎng)格技術(shù)以及改進(jìn)的部分單元體法，研究了波浪在緩坡上及直墻建筑物前的變形與破碎過程、波浪對(duì)浪濺區(qū)結(jié)構(gòu)物沖擊過程。提出了適合VOF方法的水體與結(jié)構(gòu)物接觸與分離的動(dòng)邊界條件，較好地反應(yīng)出水體與結(jié)構(gòu)物分離時(shí)存在自由波面而水體與結(jié)構(gòu)物接觸時(shí)自由面消失的特點(diǎn)，在處理水體與結(jié)構(gòu)物接觸與分離的數(shù)學(xué)邊界條件方面取得了重要進(jìn)展，解決了波浪沖擊過程數(shù)值模型的難點(diǎn)問題。引入多重網(wǎng)格技術(shù)，在建筑物和自由水面附近的流場(chǎng)采用多重網(wǎng)格技術(shù)，提出網(wǎng)格重疊帶上的速度、壓力以及波面的匹配邊界條件，實(shí)現(xiàn)了近域流場(chǎng)和外域流場(chǎng)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的同步耦合求解，解決了目前波浪沖擊問題數(shù)值模型中建筑物底面與水面之間因網(wǎng)格劃分粗糙而無法精細(xì)地反映出其沖擊過程流場(chǎng)變化特征和結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的問題；發(fā)展了適合VOF方法的適體網(wǎng)格技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了任意復(fù)雜區(qū)域的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分；應(yīng)用粒子成像全流場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)（PIV）和SG-2000型多點(diǎn)壓力測(cè)量系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)波浪沖擊過程流場(chǎng)和壓力場(chǎng)的同步采集，對(duì)所建立的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了驗(yàn)證。研究首次實(shí)現(xiàn)了通過數(shù)值方法模擬出周期波浪的破碎及破碎后的變形過程及波浪對(duì)結(jié)構(gòu)物作用的破波壓力分布，得到了波浪作用于浪濺區(qū)結(jié)構(gòu)物的沖擊過程及波面離開結(jié)構(gòu)物底面時(shí)結(jié)構(gòu)物受到的負(fù)壓現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了波浪對(duì)復(fù)雜邊界結(jié)構(gòu)物沖擊過程流場(chǎng)的精細(xì)模擬。研究成果對(duì)波浪沖擊力學(xué)的發(fā)展有所貢獻(xiàn)。所實(shí)現(xiàn)的速度場(chǎng)采集與壓力場(chǎng)采集的同步控制，在海岸工程水工模型試驗(yàn)領(lǐng)域中有很好的應(yīng)用前景，結(jié)束了以往沖擊問題的研究中單純研究壓力場(chǎng)的單調(diào)局面。

四是應(yīng)用流-固-土三相耦合數(shù)學(xué)模型，結(jié)合數(shù)值防波堤建造技術(shù)，對(duì)波浪和水流聯(lián)合作用下，結(jié)構(gòu)物及其基床的水動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和研究。應(yīng)用所建立的非線性耦合模型模擬了波流與海上結(jié)構(gòu)物及其基床之間的相互作用過程中涉及的波浪變形和破碎、湍流、水氣摻混和多孔介質(zhì)滲流、渦激振動(dòng)等多種強(qiáng)非線性物理過程。研究了不同結(jié)構(gòu)型式的特種防波堤的消波機(jī)理和受力特性，并在此基礎(chǔ)上提出了水平板透空式防波堤和浮箱水平板式浮防波堤等特種防波堤新型結(jié)構(gòu)型式，研究了準(zhǔn)橢圓型沉箱與開圓孔的圓沉箱兩種新型結(jié)構(gòu)的受力特性并對(duì)其進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。研究了波流作用下近壁懸跨彈性管線的渦激共振特征。首次得到波浪沿斜坡堤表面爬坡破碎后離散護(hù)面塊體間隙內(nèi)的復(fù)雜流動(dòng)特征，并首次應(yīng)用數(shù)模手段得到斜坡堤護(hù)面塊體在波浪作用下的運(yùn)動(dòng)特征。研究成果解決了傳統(tǒng)透空式和浮式防波堤的水平波浪力大的難題。解決了如何降低大連港礦石轉(zhuǎn)水碼頭工程的碼頭面高程的技術(shù)難題和以往采用開方孔的沉箱結(jié)構(gòu)存在方孔角點(diǎn)處附近由于應(yīng)力集中而容易產(chǎn)生裂縫的問題。為大連新30萬噸級(jí)進(jìn)口原油碼頭工程工作平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用開圓孔的圓筒沉箱結(jié)構(gòu)提供了參考依據(jù)。取得了降低碼頭面高程2.4米、減小工程投資、縮短施工工期和方便營(yíng)運(yùn)的顯著經(jīng)濟(jì)效果。部分研究成果應(yīng)用在D34BKD34C海底管線工程設(shè)計(jì)中，提高了復(fù)雜荷載下海底管線的設(shè)計(jì)水平和可靠性，獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

研究成果還將改變目前斜坡式防波堤主要設(shè)計(jì)參數(shù)的確定依賴物理模型試驗(yàn)的現(xiàn)狀，解決無法定量評(píng)估斜坡式防波堤護(hù)面塊體穩(wěn)定性的難題，為斜坡式防波堤的設(shè)計(jì)、施工和修復(fù)提供一個(gè)新的技術(shù)手段。

本項(xiàng)目的主要特點(diǎn)是解決了波浪與復(fù)雜型式結(jié)構(gòu)物相互作用數(shù)值模型中的諸多國(guó)際前沿課題。所建立的基于VOF方法的非線性數(shù)學(xué)模型和SPH-DEM耦合數(shù)值模型為解決具有大變形自由表面的強(qiáng)非線性流動(dòng)問題提供了有效計(jì)算方法；首次實(shí)現(xiàn)了數(shù)值模擬出周期波浪的破碎與沖擊過程和波浪場(chǎng)與多孔隙流場(chǎng)的同步耦合求解；首次成功地模擬出由于動(dòng)力不穩(wěn)定性引起的矩形容器遭受豎向簡(jiǎn)諧振蕩時(shí)容器內(nèi)液體表面的半頻率波動(dòng)及圓柱容器遭受水平強(qiáng)迫振蕩時(shí)容器內(nèi)液體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)特征。在應(yīng)用數(shù)模方法研究流體動(dòng)力不穩(wěn)定性方面取得了重要進(jìn)展，達(dá)到世界領(lǐng)先水平，提升了我國(guó)港口、海岸及近海工程學(xué)科的研究水平和國(guó)際地位。

本項(xiàng)目研究成果已被國(guó)內(nèi)外學(xué)者引用400余次，部分研究成果已在大連港大窯灣一期工程、大連港礦石轉(zhuǎn)水碼頭和新30萬噸級(jí)進(jìn)口原油碼頭、勝利油田D34BKD34C海底管線工程設(shè)計(jì)中得到了應(yīng)用,獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。研究成果可推廣應(yīng)用到海洋建筑物安全、海岸侵蝕與防治、濱海灘涂資源的開發(fā)利用等，為我國(guó)海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展、海洋資源開發(fā)利用與海洋環(huán)境保護(hù)，以及沿海經(jīng)濟(jì)帶的建設(shè)提供技術(shù)支持。