弱可压缩移动粒子半隐式方法对溃坝溢流问题的数值模拟.pdfVIP

第 14 卷第11 期 2014 年4 月 科学技术与工程 Vol. 14 No. 11 Apr. 2014 1671--1815(2014)11-∞65-07 Science Technology and Engineering @ 2014 Sci. Tech. Engrg. 水利技术 弱可压缩移动粒子半隐式方法对溃坝 溢流问题的数值模拟 王吴蒋勤张长宽 (河海大学港口海岸与近海工程学院，南京 210098 ) 摘要 无网格粒子法(拉格朗日法)是计算流体力学领域必威体育精装版一代的计算方法。由于不需要生成网格，无网格粒子法能够 模拟任意形状的界面及其变形和碎裂，尤其适用于计算如溃坝溢流及波浪破碎等具有复杂自由表面运动的流体力学问题。 其中，光滑粒子流体动力学方法(SPH) 和移动粒子半隐式法(MPS) 是无网格计算方法的典型代表。采用基于 MPS 法的修正 弱可压缩移动粒子半隐式法(weakly compressible corrected moving particle semi-implicit method) 构建了用于求解自由表面流问 题的数值计算模型，并用于模拟干床面与湿床面上的溃坝溢流问题。计算结果与实验结果的对比分析表明，采用基于 WC­ CMPS 无网格法建立的数值计算模型对干、湿床面上溃坝溢流的溢流形态、水柱高度以及波前速度等均给出了良好的计算 结果。 关键词无网格粒子法 弱可压缩移动粒子半隐式方法(WC-CMPS) 溃坝溢流 自由表面流 数值计算模型 中固法分类号 TVI22.4; 文献标志码 A 基础上提出了一种新的无网格数值计算方法，称为 波浪从深海向近海传播过程中的变形，遇到建 筑物后发生的破碎、爬坡和越浪，与海岸的泥沙运动 MPS 法(moving particle semi-implicit ，移动粒子半隐 式法)。由于 MPS 法是一种完全的拉格朗日方法， 和海床演变，以及海洋建筑物的稳定性和安全性等 所以在流体的控制方程中不存在对流项，这样就避 密切相关。探索波浪破碎等强非线性大变形自由表 免了数值扩散引起的对自由表面计算精度降低的影 面流问题的求解方法是海岸与近海工程的一个重要 响。此外，MPS 法不需要建立网格法中复杂的计算 课题。溃坝溢流是典型的非线性大变形自由表面流 网格。因此，MPS 法逐渐成为求解大变形自由表面 问题，通常发生在河流、海岸等地区并导致严重的损 流问题的有效解法之一，被广泛应用于机械、造船等 失。溃坝溢流问题一直是水利工程中备受关注的研 领域的研究。譬如，Koshizuka [引用 MPS 法模拟了波 究课题，目前已有大量的理论分析，模型试验以及数 浪破碎以及波浪与浮体的相互作用问题;Sueyoshi 值模拟方面的研究成果。然而，由于溃坝溢流通常 等[6] 模拟了浮体在波浪中的大幅运动;Gotoh 等[7 ， 8] 会有相当大的自由表面变形并伴有强烈的紊动，是 对溢流和破波进行了研究。此外，Shakibaeinia[9] 在 一个典型的强非线性自由表面流问题，在数值模拟 MPS 法的基