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SPH波浪数值模拟与物理模型试验研究

作　者: 赵津京
导　师: 白志刚
学　校: 天津大学
专　业: 港口、海岸及近海工程
关键词: SPH 波浪破碎 孤立波 物理模型试验
分类号: TV139.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要


研究近岸地区海浪的传播运动,对海岸工程十分重。对海浪传播的模拟大多是基于网格方法的,网格方法存在一定局限性。SPH(Smoothed Particle Hydrofynamics)是一种无网格的纯拉格朗日粒子方法,在天体物理学、流体力学中得到广泛应用。与网格数值方法相比,SPH的优点在于能够更好的模拟自由表面的大变形问题。本论文主要工作目的是研究SPH在近岸海浪传播的应用。本文对SPH方法的原理、发展、应用和函数SPH形式的推导作了简单的介绍。对SPH方法进行水动力学模拟所需的相关处理方法,如边界处理、粒子搜索法、时间积分算法等进行探讨。对SPH程序进行改进,使之能更好的模拟波浪在不同地形条件下的传播。应用SPH模拟波浪破碎的三种形式,并用水槽做物理模型试验,将SPH计算结果与实验结果作对比,验证SPH在模拟波浪破碎方面的准确性,分析波浪破碎时的速度、压力、涡量和湍流动能。应用SPH模拟孤立波在斜坡上的爬坡过程,通过与物模实验数据的对比,分析孤立波爬坡过程的速度、压力和湍流动能。通过对波浪破碎与孤立波爬坡的模拟,结果表明SPH能够很好的模拟波浪的传播、变形,特别是对波浪时复杂形变的模拟要比有网格的数值方法准确,但是也暴露出SPH的一些不足,比如计算时间长,边界粒子对水粒子影响比较大。

全文目录


中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-8
第一章 绪论  8-13
  1.1 光滑粒子流体力学法（SPH）简介  8-10
    1.1.1 SPH方法产生背景  9
    1.1.2 SPH的发展与应用  9-10
  1.2 SPH的优缺点  10-12
    1.2.1 SPH的优点  10-11
    1.2.2 SPH的缺点与改进  11-12
    1.2.3 SPH面临的问题  12
  1.3 本论文工作的意义及主要内容  12-13
第二章 SPH的基本原理  13-20
  2.1 SPH差值方法  13-15
    2.1.1 核函数近似  13-14
    2.1.2 粒子近似  14-15
  2.2 光滑函数  15-16
    2.2.1 光滑函数的性质  15
    2.2.2 光滑函数的形式  15-16
  2.3 一般流体力学的SPH方法  16-19
    2.3.1 连续性方程  16-17
    2.3.2 动量方程  17-18
    2.3.3 能量方程  18-19
    2.3.4 状态方程  19
    2.3.5 粒子运动方程  19
  2.4 本章小结  19-20
第三章 SPH的数值计算  20-31
  3.1 时间积分  20-22
    3.1.1 预算-校正法  20-21
    3.1.2 Verlet运算法则  21
    3.1.3 Beeman运算法则  21-22
    3.1.4 变时间步长  22
  3.2 相邻粒子搜索方法（NNPS）  22-25
    3.2.1 直接粒子搜索法（Direct Search Method,DSM）  22-23
    3.2.2 树形搜索算法  23-24
    3.2.3 链表搜索方法（Link-List Method,LLM）  24-25
  3.3 边界处理  25-28
    3.3.1 动力边界  25-26
    3.3.2 镜像粒子方法  26-27
    3.3.3 排斥力边界  27-28
  3.4 粒子检查范围  28-30
    3.4.1 固定界限  29
    3.4.2 Z~+向界限的改变  29-30
  3.5 本章小结  30-31
第四章 波浪破碎的SPH模拟  31-59
  4.1 波浪破碎的基本概念和研究现状  31-34
    4.1.1 波浪破碎的基本类型和破碎参数  31-32
    4.1.2 波浪破碎的研究现状  32-33
    4.1.3 本章主要内容  33-34
  4.2 崩破波的SPH模拟  34-41
    4.2.1 数值模型设置  34
    4.2.2 结果分析  34-41
  4.3 卷破波的SPH模拟  41-50
    4.3.1 数值模型设置  41-42
    4.3.2 结果分析  42-50
  4.4 激破波的SPH模拟  50-57
    4.4.1 数值模型设置  50-51
    4.4.2 结果分析  51-57
  4.5 本章小结  57-59
第五章 孤立波的SPH模拟  59-69
  5.1 孤立波的性质与研究现状  59-62
    5.1.1 孤立波的发现  59-60
    5.1.2 孤立波基本性质  60-61
    5.1.3 孤立波的研究现状  61
    5.1.4 本章主要内容  61-62
  5.2 孤立波的爬坡  62-68
    5.2.1 模型设置  62
    5.2.2 结果分析  62-68
  5.3 本章小结  68-69
第六章 结论与展望  69-71
  6.1 结论  69
  6.2 展望  69-71
参考文献  71-77
发表论文和科研情况说明  77-78
致谢  78

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中图分类: > 工业技术 > 水利工程 > 水利工程基础科学 > 水力学 > 波浪水力学
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