摘 要

光滑粒子动力学方法由于其拉格朗日性质在解决各种流体变形碰撞，例如波浪破碎、冲击晃荡、与结构物相互作用等问题方面被广泛应用。本文基于光滑粒子动力学数值方法对波浪与结构物的相互作用进行研究，首先使用开源软件DualSPHysics对文献种得模型进行了验算，验证了该算法的正确性。然后建立共11种工况不同数目不同类型得消波结构物模型，并对流体域划分粒子点，采用SPH方法对水波经过结构的反射与透射过程进行了模拟，将所得到的数据进行分析，确定了消波效果随着2L/λ增大的变化趋势吗，同时对异形结构物的消波效果进行了分析。

关键词：消波结构；无网格粒子法；DualSPHysics；波浪

Abstract

Smooth particle dynamics is widely used to solve the problems of fluid deformation, such as wave breaking, impact sloshing and interaction with structures. In this paper, the interaction between waves and structures is studied based on the smooth particle dynamics numerical method. Firstly, we use the open-source software dualsphysics to verify the validity of the algorithm. Then, 11 kinds of models with different numbers and types of structures are established, and particle points are divided in the convective domain. The reflection and transmission process of water wave through the structure are simulated by Using SPH method. The data obtained are analyzed to determine the change trend of the wave elimination effect with the increase of 2L / λ. At the same time, the wave elimination effect of special-shaped structures is analyzed.

Key words: wave structure; meshless particle method; DualSPHysics; waves

目 录

第1章：绪论 1

1.1引言 1

1.2 消波研究的发展 1

第2章：基础理论 3

2.1 计算流体力学 3

2.2 bragg反射 3

2.2.1 波的反射系数与透射系数 4

2.3 SPH理论基础 5

2.3.1 SPH方法简介 5

2.3.2 基本原理 6

2.3.3 函数的积分表达与粒子表达 7

2.3.4 核函数 9

2.3.5 人工粘度 9

2.3.6 边界条件 10

2.4 DualSPHysics概述 10

2.4.1 DualSPHysics简介 10

2.4.2 粒子移动算法 11

2.4.3 边界条件 11

2.4.4 DualSPHysics模拟过程 12

第3章：计算方法的验证 13

3.1 计算模型 13

3.2 计算结果验证 14

第4章：矩形结构物与波浪的相互作用 16

4.1 建模与计算参数 16

4.2 3个结构物与水波的相互作用 19

4.2.1 反射系数 19

4.2.2 透射系数 25

4.3 2个结构物与水波的相互作用 28

4.3.1 反射系数 28

4.3.2 透射系数 33

4.4 数据汇总 34

第5章：异形结构物与波浪相互作用的模拟与计算 35

5.1 异形结构物流场云图说明 35

5.2 方形结构物与三角形棱柱结构物的对比 36

5.3倾斜方向对消波效果的影响 39

第6章：总结与展望 41

6.1主要结论概述 41

6.2对后期发展的展望与想法 42

致谢 43

阅读的参考文献： 44

第1章 绪论

1.1引言

结构物的对波浪的消波作用，从古到今一直是人们热衷于探寻的课题。各种结构的护堤或是消波结构物保护着水岸免于波浪的侵蚀，在保护水土流失，保护水体清澈等方面起到重要作用。尤其是目前热门的湿地保护政策，消波可以保护岸边生态环境的稳定，一些试验工程通常通过建造不同的消波结构以及岸堤用以测试其不同的效率以及性价比。在人们对消波的研究历程上，不同结构物的消波结构也被一一列举出来。在最早的时候，人们往往使用实体防波堤，但是其投资过大，且对材料的要求数量大，对区域的水动力环境以及景观影响大，渐渐的被人们所放弃，转而研究更多种类的结构物。目前采用比较多的样式，如混凝土桩列，结构简单成本低廉，且非常利于施工建造，不过只适用于水深较小的水域。故而桩式消波结构一般广泛应用于水深波浪都较小的内河，在波浪小的湖泊等地也可采用木质结构经济成本大大降低，在波浪较大的沿海区域也可以采用直径较大的钢架混凝土结构。同类型的还有桩式离岸堤等属于固定结构物的消波结构，在一些码头港口等地区，岸边水深过大且经常有船只通过，不宜设立这种结构的消波措施。一般在这种情况下采用浮式消波结构或是特殊的消波结构，浮式例如矩形浮箱，单层平筏等，这种消波措施一般造价十分低廉且制作十分简单，故被广泛采用。在这些林林总总的消波结构中，它们的优缺点在人们大量运用的过程中被一一列举出来。如果能够通过计算模拟，找出最适合水域环境的消波结构，就可以避免大量事实实验的人力物力的浪费。

1.2 消波研究的发展

而随着科学技术与实验设备的不断发展，计算机开始广泛的应用于科学研究中，人们开始不再局限于实地进行测量与计算，而是通过计算机等手段模拟波浪与结构物的相互作用。这样又节省了时间与精力，也为实行某些破坏性实验或是完美理想条件的实验提供了基础。

谈到消波，首先要用到的当然是流体力学，从力学的角度而言，对于处于平衡状态的流体有破坏平衡的力以及使其回复平衡的力，在二力作用下流体呈现出波浪的形态即为波浪的定义。流体力学是一门主要研究流体或是流体与固体的相互作用与反作用的学科。

流体力学主要分为理论流体力学、实验流体力学、计算流体力学。理论流体力学的研究即为通过理论建立出近似模型。实验流体力学则是在水槽，水池等实验设备中进行实体实验。而在本文重点应用的则是计算流体力学(即CFD）。

在消波结构的仿真计算方法中，有有限体积法，光滑粒子法，有限积分法等。一个良好的的计算机数值模拟方法可以在仿真精度上达到人们研究所需要的程度，节省时间从而提高了工作与学习效率。由于在较复杂的研究问题中，网格类数值方法的一些短处逐渐暴露出来，在处理动边界问题或高速冲击问题时，复杂边界中计算域内的网格就很容易在运动过程中变形或崩溃，导致计算结果误差较大。另外由于大变形，网格产生畸变较难得出理想的模拟效果^[1]。

其中光滑粒子动力学方法正是近20年来发展的有别于传统有限元网格法的无网格粒子法，在这种方法中，将连续的流体视为单个的粒子进行研究，每个粒子或粒子组相互作用。给予每个粒子质点各种物理性质（如质量，速度，加速度），通过数值方法带入粒子的运动学方程求得每个粒子的运动轨迹与物理量变化情况，理论上只要粒子的数目足够多，粒子法就无限接近于真实流体的运动情况。无网格方法中的控制方程也被离散成粒子形式，这样在模拟整个流动问题时只需对粒子的受力进行计算以及对粒子的移动进行追踪即可^[2]。SPH方法中，解的精度依赖于质点的排列。但是相较于传统的网格法，它对点阵排列的要求十分的小。由于无网格也可极大的避免大规模变形运动时网格扭曲造成的精度降低，也能方便处理不同介质的边界，对于网格法在某些物理模型中有着它无可比拟的优势。因此目前光滑粒子流体动力学方法（SPH）被广泛的应用于各种模拟实验中，以达到仿真、预防等作用。

第2章 基础理论

2.1 计算流体力学

计算流体力学作为刚发展的新型科学主要有有限元仿真计算方法，光滑粒子法，有限积分法等。与实验流体力学相比，其所需的费用与时间都大大减少，节省了研究人员的精力，并且拥有不错的精度，CFD计算流体力学可以对实验流体力学与理论流体力学起到很好的促进与补充作用。

2.2 bragg反射

布拉格反射，一开始是在光学或是声学中引用的概念。在波浪中，当波浪与结构物表面接触时也会发生bragg布拉格反射现象，有研究指出，水波衰减是海岸和海洋工程中的一个重要研究课题。由单个或多个结构物组成的防波堤通常用于保护工程结构物或海岸不受波浪冲击。与单体结构相比，多体结构作为防波堤，在适当的几何布置下，可以提高波浪衰减的有效性。如果周期性地部署多个结构，则称为周期性结构。当入射波冲击周期性结构时，会发生反射共振。具体地说，在通常入射波波长约为周期结构周期长度的两倍的情况下，可以得到一次反射系数，即Bragg反射现象。

Bragg反射的出现，使得周期性结构能够有效地帮助波的衰减。基于布拉格反射，Mei等人于1988年提出了一系列正弦沙堤，以保护北海Ekofisk的钻井平台免受波浪袭击。Bailard等人于1990得出结论，基于Bragg反射的若干淹没钢筋可能是一种适当的护岸方法，可显著减少侵蚀。Bailard等人（1992）发现布拉格反射水下沙坝能够在美国海湾海岸和大西洋海岸提供风暴侵蚀保护。蔡和文（2010）指出，利用布拉格反射机制，潜堤可以有效地反射台湾米坨海岸附近的波浪流动。

2.3 SPH理论基础

2.3.1 SPH方法的发展

随着SPH方法的发展，其在具有材料强度的动态响应问题和大变形的流体力学问题的研究中被应用得较广泛^[2]。作为早期的无网格方法之一，光滑粒子流体动力学(SPH)，于1997年由Gingold、Monaghan和Lucy^[3]开发，当时使用的是钟型核函数，Gingold 和Monaghan用的是高斯核函数。最初并没有用于流体研究，直到 Monaghan首先将其用于模拟自由表面流动，1996年 提出了WCSPH方法（弱可压缩），通过引进弱可压缩模型^[4]，将SPH法用于求解不可压缩流动问题，并且之后的研究人员用SPH方法模拟不可压流动问题时经常使用这个模型^[5]，这种方法使SPH更有效率，同时也严格意义上在SPH的求解过程中排除了依赖网格的过程，是最早的正式形式的无网格方法，对之后的很多无网格方法都有一定的影响。之后，SPH方法被应用在许多研究领域，在自由表面流动和固壁边界等数值模拟问题的研究中也有时被应用。SPH方法在船舶与海洋工程领域的应用更为广泛及深入：Colagrossi 等^[6]为了改进SPH的压力计算精度引进MLS格式对密度进行积分，提高了压力场的光滑性，并对剧烈晃荡问题进行了研究，数值模拟得到的抨击压力变化曲线能够比较好地与实验吻合，但仍存在一定程度的振荡；Panizzo 等^[7]使用SPH方法计算了二维块体滑坡现象中的各种参数，并系统地研究了由二维块体滑坡现象引起的涌浪模型，深入分析了该现象中的规律； Feldman^[8]研究了SPH方法在流体流动模拟问题中应用时的对边界力的设置和模拟过程中的动态修正；Issa^[9]开发出了三维SPH模型，通过系统地模拟各种尺寸的溃坝问题，最终推导出了 SPH 方法的层流和湍流模型，并且得到了验证；Lee^[10]开发了新一代的基于完全不可压缩理论的 SPH 方法的数学模型，并且与普遍应用的弱可压缩模型 WCSPH(Weakly Compressible SPH)进行比较，分析了各自的优势与不足；Khayyer^[11]对SPH方法提出了一些改进，并利用改进后的模型对波浪爬坡、破碎等现象进行了模拟与分析；Crespo^[12]对SPH方法在自由表面流动现象模拟中的应用进行了系统性的总结与归纳，并且介绍了SPH方法中各种数值处理技术，同时深入分析了这些技术中参数的取值对最终模拟结果的影响。

国内的最早的SPH研究发展中，1996 年，张锁春^[13]最早介绍了 SPH 方法的理论基础及流体动力学方程的推导；贝新源、岳宗五^[14]在 1997 年研究不同介质交界面的三维流体系统中复杂大变形的问题时，研究、开发了 SPH 方法，同时介绍了 SPH 方法的有关理论与具体应用。近年来随着技术发展SPH也得到了井喷式的发展，随着弱可压缩光滑粒子流体动力学方WCSPH(Weakly Compressible SPH)的出现以及SPH方法被引入到计算流体力学领域，我国学者使用 SPH 方法做了大量的研究：毛益明等^[15]人通过SPH程序对高速碰撞过程进行数值模拟，表明 SPH 方法能较好地模拟冲击动力学中的大变形问题。郑兴和段文洋^[16]从二维角度讨论了SPH方法的计算方法并提供了算例，为之后提高 SPH 方法的计算精度和适用性做了铺垫；郑俊^[17]用SPH方法实现了高速水下物体的流场模拟；唐勇，陈静等^[18]通过形状约束算法对SPH中粒子的轨迹进行控制，实现粘弹性流体的运动模拟；陈臻^[19]应用改进的WCSPH模型对入水抨击的降压机理进行了分析；张凯凯^[20]将SPH方法用于液舱内液体晃荡的研究并作出防晃研究。以上研究者对SPH方法在国内的流体力学领域的发展和应用都做出了重要贡献，国内对SPH方法在流体领域中的研究和开发仍在持续。

2.3.2 基本原理

随着研究的不断深入，SPH 方法尤其在具有材料强度的动态响应问题和具有大变形的流体动力学问题的研究中被应用得较广泛。求解流体动力学问题时，一般是求解偏微分方程组，这些方程组是基于物理量如密度、能量和速度等变量场的。而在求解偏微分方程组的过程中，一般只能求解出其数值解，只有一些简单的流体动力学问题才能求解出其解析解。

光滑粒子动力学的性质特点如下：