文摘
孤波的相互作用,研究了水下防波堤在无网格,拉格朗日方法。为了这个目的,一个二维平滑粒子流体动力学(SPH)代码。此外,一组广泛的模拟。在第一步中,生成的孤立波进行了验证。随后,孤波之间的相互作用和水下防波堤是彻底调查。孤波之间的相互作用的结果和一个水下防波堤也证明是在良好的协议与实验研究出版。后来,防波堤的倾角和长度的影响以及之间的距离两个防波堤评估防波堤的阻尼比。
1。介绍
由于港口和海洋的发展,保护海岸免受海浪必须被视为一个重要的问题在海洋领域的结构。在这种背景下,防波堤前几十年一直使用适当的工具。引入了一个广泛的防波堤,到目前为止。潜堤是其中之一已在许多国家使用。一般来说,一些优势的水下防波堤可以提到如下:(1)结构简单、(2)成本效益,(3)海洋运输船舶的安全(4)建设周期短,(5)保留美丽的海岸(适宜游览的方面),(6)高强度的结构对海浪,(7)防止海岸侵蚀区与散射波的能量。
此外,淹没防波堤的性能取决于几何、材料特性和环境特性防波堤周围的1]。在接下来的段落,几项研究处理水下防波堤进行了综述。
漫溢淹没障碍对波的影响特性进行了Hara et al。2]。他们用数值模型以及回归方法计算波的速度打破。Hayakawa et al。3]研究了梯形潜堤周围流场数值。他们比较获得的2 d和3 d数值结果与实验发现。孤波与水下多体被认为是通过Wan Decheng和Guoxiong [4从理论上讲。波传播的一个实验调查水下防波堤也认为Armono和大厅5]。波场的实验比较在水下梯形防波堤和双淹没梯形防波堤是由吉田et al。6]。在他们的研究中,这一比例在防波堤和研究了波高。孤波的相互作用和渗透矩形水下防波堤被黄评估等。7]。他们测量了波传播以及龙的防波堤。Stamos et al。8)进行实验研究和考虑性能的吸收和反射波的hemicylindrical和矩形淹没防波堤。Johnson et al。9)进行了实验和理论研究的水流和波浪梯形潜堤附近。Muni-Reddy和Neelamani10)提出了一个数值和实验调查测量波打破和力与梯形防波堤保护海外基地。陈等人。11)实验研究了转换波的各种资料、梯形潜堤和海堤。Christou et al。12]介绍了常规非线性波的数值模拟与矩形淹没防波堤传播和反射波剖面的调查。Zaman et al。13]研究海浪的变形量通过抛物线防波堤和海浪的程度反映了区域。Losada et al。14]研究传播,反射,动荡和破损的规则和不规则的波浪漫溢的碎石堆防波堤。曹et al。15)波传播的数值研究了水动力特性,围绕两个不透水梯形淹没防波堤。
在防波堤的面积计算,光滑粒子流体动力学(SPH)也可以作为一种新的无网格数值实现方法,正在开发研究海岸附近的波和海军的需要。在这种背景下,几个数值模型开发了SPH方法建模自由表面流动。Dalrymple et al。16),后藤等。17),和邵18]提出了结合SPH数值一些技术已被广泛使用。此外,Dalrymple和罗杰斯(19]表明SPH流体建模方法提供了各种优势,尤其是自由表面。Yim et al。20.研究波的相互作用与多孔刚性semisubmerged矩形防波堤跑和SPH方法。Cherfils et al。21)也被认为是作为防波堤周围水平淹没流板附近的海岸和SPH方法。迪迪埃,七巧板(22]研究波速、波高和波在倾斜的海堤破坏一个地区的葡萄牙SPH方法。
此外,与SPH模拟水波,截至目前,许多不同的方法已经被提出了。邵(23)提供了一个耦合不可压缩平滑粒子流体动力学(ISPH)多孔介质方法模拟自由表面轮廓。刘等人。24)优化3 d SPH方法水波建模中的应用。一般来说,感兴趣的读者可以参考一些文章(25,26)寻找SPH发展的回顾文献。
由于必须获得适当的比较不同的潜堤的性能影响因素和缺乏广泛研究了水下防波堤使用SPH方法,一个相对广泛的参数研究梯形淹没防波堤。为此,防波堤的各种几何方面考虑,进行比较研究。此外,它正在试图引入一个适当的组合在SPH数值技术的准确模拟单独wave-breakwaters交互。
2。控制方程
光滑粒子流体动力学,流体可以用离散粒子。这些粒子可能由一个单独的指定质量。此外,粒子运动方程的牛顿力学,包括压力。对每一个粒子,基于拉格朗日方程navier - stokes方程的形式: 在哪里,,分别是速度、压力和密度。重力加速度和吗指的是扩散条件。
3所示。SPH配方
n - s方程的解决方案在SPH方法是通过定义一个内核函数在每一个SPH粒子的位置。这个函数的最大值发生在。核函数的特性必须与狄拉克δ函数相似。因此,核函数的行为是完全依赖的价值。的值是参数定义了影响区域的“大小”的内核函数,称为平滑长度。内核是标准化的统一以下列方式: 我们也有
我们应该把SPH内核定义区域的SPH粒子的影响。它会只有SPH粒子躺在彼此的地区的影响和相互作用。
此外,核函数实现近似计算域字段变量在任何时候。例如,函数的估计价值在的位置在一个连续函数的积分形式的产品和核函数: 在尖括号表示一个内核近似。除了上述特点之外,核函数必须满足一些其他特性,比如积极条件(27]。此外,(4)也可以近似的总结如下: 在哪里与粒子的体积是多少。这个方程可以如果函数使用只有在离散点。
核函数描述可以确定通过定义一个特定的内核函数。无数的可能性存在。讨论了大量的核函数类型文学,从高斯多项式。最常见的是提出的b样条的内核是莫纳亨和Lattanzio28]: 这被认为是在目前的纸吗和等于在二维情况下。
4所示。SPH实现控制方程
现在,基于SPH配方,在前一节中提到的,将离散控制方程。在这种情况下,粒子的连续性方程可以考虑在SPH配方吗 涉及所有邻近粒子和在哪里评价平滑内核是在粒子之间的距离和。
动量方程的SPH配方基于人工粘度也可以通过粒子近似过程中获得的 在哪里粘性项。引入粘性耗散,科学家发明了一种人工粘度概念,使用莫纳亨[29日实现)。这一项是对称的,节约动力,并介绍了一种剪切粘度到动量方程。动量方程的SPH形式写成 在哪里 也是一个常数。莫纳亨(29日显示的值可用于计算。
5。数值的细节
5.1。XSPH技术
修改粒子的速度,XSPH技术是使用和粒子基于这种技术的移动。在XSPH方案,制定如下:
粒子的速度以这样的方式重新计算粒子的速度吗的平均速度和最亲密的邻居粒子与粒子相互作用考虑到。
5.2。时间步进程序
在本文,预估时间步进算法实现。预估公式,变异的粒子属性(如速度)估计(17]。考虑
执行力在半步,速度可以计算的值的任何步骤,制定如下(17]:
5.3。密度滤光片
在弱可压缩SPH制定、大型压力振荡已经观察到。这些压力不可以修改使用一些程序。除了修改的压力,自由表面轮廓也将提高。因此,美国职业足球大联盟(移动最小二乘法)密度滤光片是一阶密度校正用于繁殖密度场的线性变化:
修正后的内核也评估如下:
5.4。边界条件
两行静止的水粒子的边界(图1根据外部强加的)保持固定或移动功能,说,波制造商的界限。当流体粒子方法的边界,边界粒子的密度,因此施加压力增加。这水粒子生成必要的排斥力。这种方法的主要缺陷是一代数值边界层。当水粒子接近边界粒子,他们倾向于坚持边界;因此产生一个边界层,不是身体上观察到。
6。孤波的一代
(孤波是由开活塞造波机5]。桨位移的值是应用于下列方程(22]: 在哪里波高,波数,是速度。波速也可以得到以下方程[22]:
6.1。生成的孤波的验证
根据Maiti和森(32)模拟基准测试,水箱的长度和平坦,水深,右手边的斜率和坦克,分别认为是10米,9.7米,0.3米,和45度(图2)。造波板运动的计算。因此,波高和是0.03和6.882。
孤波的结果生成如图3。从0到10秒进行了仿真。可以看出波高等于0.03米,获得自由表面轮廓相对准确的进一步研究。然而,一些矛盾是可见的在第二个4。此外,平均误差的SPH模拟(点对点)= 1.89%。
7所示。结果与讨论
在本节中,孤独的wave-breakwater交互将研究的各个方面。在第一步,自由表面与一个特定的相互作用下防波堤孤波计算使用SPH数值设置确保我们适合更复杂问题的调查。随后,各种几何特征的防波堤进行了讨论。更详细的研究,两防波堤被认为和这些防波堤将评估之间的距离的影响。
7.1。验证
SPH进一步评估的准确性、自由表面轮廓,生成的单独wave-breakwater交互,而格雷利等实验工作。33]。执行这种比较,计算域(表定义1)。此外,波浪水槽的特点,提出了孤波,防波堤。这个模拟的结果说明图4。的特点提出了模拟也报道在表2。自由表面概要图4(一)通过4 (d)10点,11.81,13日和13.92秒。RMS的获得解决方案,计算相对于实验结果似乎是合理的。因此,它可以宣布我们的数值设置可以单独wave-breakwater交互模型与令人满意的精度。
(一)
(b)
(c)
(d)
7.2。调查防波堤的倾向
研究主题是考虑防波堤的斜率的影响比率。为了这个目的,计算域以及孤波被认为是与上一节相同。斜率的防波堤,在船尾部分(),如图所示5是不同的系统。所有考虑的角度提出了在桌子上3。此外,几何特征的防波堤也提出了表。
自由表面轮廓相互关联的考虑条件中说明了数据6,7,8,9,10,11。在每种情况下,获得免费的表面轮廓与生成孤立波不考虑防波堤的效果。准确评估防波堤在自由表面的斜率概要提出了表4。很明显,无论可以实现,最大减少波。相应地,当下降到零,最小防波堤效应发生。一般来说,图12还显示了一个代表SPH解决方案的框架。
7.3。防浪堤长度的调查
执行进一步的参数研究,防波堤的影响对自由表面的长度也可以评估。在这种背景下,在保持计算特点,只有长度比例系统地改变。认为情况展示在表5。数据13和16显示结果在不同长度的比率。在所有情况下,防波堤在自由表面生成一个中空的防波堤的位置导致波峰的减少。一般来说,基于表6观察到比率下降,因此防波堤的性能将得到改善。此外,它可以得出的结论是,小长度比例导致更多减少波振幅。完成本节中,一个视图的SPH方法也呈现在图17。
7.4。调查两个水下防波堤之间的距离
在本部分中,两个防波堤评估之间距离变化的影响。距离两防波堤被认为是小于波长的模拟。因此,这个距离会增加,直到变得比波长大的差距。此外,波高、水深、波浪水槽的长度被认为是、1.2和70,先后。从左边防波堤位于30米。防波堤的几何特征也呈现在表7。图18展示了两个之间的差距影响防波堤。可以看出当波到达第一个防波堤,波高等于0.25米。然而,第二防波堤减少波高与考虑的通信距离两防波堤。在这种情况下,两个参数,(波高上图第一防波堤)(波高上图第二防波堤),介绍了。防波堤影响系数也定义为。展示在表定义参数的精确值8。它显然是清楚的,、最大波动减少。此外,它可以得出最佳防波堤影响波长之间的差距。在现实中,防波堤差距小于波长时,其次防波堤将减少的影响。此外,最大的有效性防波堤时观察到的距离等于波长。代表我们的SPH方法也在图19。
8。结果
本文着重于防波堤在孤波性能。此外,我们试图实现无网格和拉格朗日方法平滑粒子流体动力学方法研究被认为是物理。在这种背景下,一个二维SPH代码开发。考虑扩散条件,包括一个人工粘度模型。粒子运动也计算XSPH变体和预估研究随着时间步进算法。重新初始化密度场,MLS密度滤光片是利用。
开始计算,生成的孤波比较验证了之前的研究。后来,防波堤也包括在计算域。来验证我们的SPH的解决方案,获得自由表面轮廓与现有的实验结果比较,发现我们的SPH解决方案有一个合理的准确性。在第二个阶段,防波堤的各种几何方面也进行了研究。
一般来说,实施效果两防波堤,防波堤的倾向,防波堤的长度在自由表面抑郁评估。发现防波堤差距小于波长时,第二个防波堤的影响将会减少。最大的有效性防波堤也发生时的距离等于波长。此外,当防波堤的倾向增加,自由表面变形将被修改。此外,可以看出长度比防波堤可以有效地影响自由表面轮廓数据14和15)。
进行更精确的计算,SPH方法扩展到三维的情况下将会出席。各种简单的防波堤几何图形也将在不久的将来推出。
利益冲突
作者宣称没有利益冲突有关的出版。