基于FEMDEM与SPH耦合方法的抛石防波堤护面层水力失稳机理研究

抛石防波堤作为港口和护岸工程中的重要建筑物，其失稳破坏是海岸工程界历来关注的课题。研究防波堤的稳定问题首先应从护面层水力失稳机理着手，建立一套较为完善的理论和数值分析方法。本项目基于FEMDEM与SPH四向耦合计算方法研究防波堤护面层水力失稳机理。项目总体上采取理论分析-数值模拟-实验验证三方面相结合的技术路线，探索建立适合模拟非连续离散固体介质结构与强非线性自由面流动相互作用的数值计算方法，并对抛石防波堤护面层与水波相互作用过程进行符合物理规律的模拟，揭示防波堤护面层水力失稳机理。研究内容主要包括：建立合理的FEMDEM与SPH耦合模型和算法；开展水波-块体结构相互作用物理模型试验；试验模型数值计算结果与试验数据比较验证FEMDEM与SPH耦合计算模型和方法的效能；模拟不同工况下护面层水力失稳过程，分析和识别影响护面层水力失稳的关键因素。本项目理论和方法新颖，有创新意义和显著应用价值。

建立和完善了模拟具有任意复杂几何形状的异型护面块体结构相互碰撞变形和破损过程的FEMDEM 程序。对于复杂几何形状块体结构的建模，可以利用AutoCAD软件建立生成DXF格式的三维模型，然后读入CIMNE公司的GID软件进行有限元网格划分；对模拟强非线性自由面流动的SPH程序和算法进行了改进和基于GPU技术的硬件加速。主要工作包括：(1)对SPH 法的固壁边界条件进行改进，提高了固壁边界压力的预测精度。(2) 实现了对SPH程序基于NVIDIA 公司的CUDA并行计算架构的硬件加速；为了对抛石防波堤护面层水力失稳这一问题开展更深入的机理分析，正确认识护面块体孔隙间的颗粒两相流运动是必要的，因而本项目建立了模拟颗粒两相流的细观尺度数值模型，即固体颗粒运动采用离散元法(DEM)求解，而流场运动则应用计算流体动力学(CFD)方法求解局部平均的N-S方程，流体和固体颗粒之间的相互作用通过动量交换来实现。这种方法的优点在于：不仅能直接模拟颗粒之间的相互作用，而且本项目中的CFD是基于弱可压缩流动模型的，不需要求解压力泊松方程，因而减少了计算量；项目最终实现了将FEMDEM 与SPH 法耦合来模拟水波与具有离散介质特性的护面块体结构的动力相互作用，进而研究抛石防波堤护面层水力失稳过程和机理。研究结果显示：护面结构的变形主要是由于块体间的相对滑移和转动而形成的，块体本身的变形很小，但在长期循环荷载的作用下，结构块体位移累积，发展到一定程度会引起局部失稳，继而影响防波堤的稳定。通过本项目的研究，建立了模拟强非线性水波与具有离散介质特性的护面块体结构动力相互作用的多尺度多场耦合数值模型，为研究抛石防波堤护面层水力失稳过程和机理提供了新的思路和方法，达到了预期研究目标。发表标注资助号的学术期刊论文12篇，学术会议论文12篇，其中SCI检索论文3篇, EI检索论文6篇, ISTP检索论文2篇；培养研究生９人。