基于浸入式边界—格子玻尔兹曼方法的滑块涌浪数值研究

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水库等涉水区域是滑坡易发区,这类滑坡产生的涌浪会严重威胁库区坝体、航行安全与沿岸居民的生命财产安全。研究滑坡涌浪的传播机制,是涌浪灾害评估与防控的重要理论基础,在国家防灾减灾领域具有重要的学术意义和应用前景。前人对滑坡涌浪问题已经开展了较为广泛的研究,如预测首浪最大波高、频率、波速以及周期等已有一些较好的经验公式,但这些拟合的公式没有阐述滑坡体本身几何参数的影响机制。因此,本文通过改进的多相流浸入式边界-格子玻尔兹曼方法对二维滑坡涌浪问题进行数值模拟,系统地研究了滑块入水角以及滑坡体前倾角的对首浪参数的影响规律,探讨了多块体入水涌浪叠加规律与滑坡涌浪灾害中可能出现的四种典型非线性波,揭示了首浪沿程衰减特性,优化了首浪沿程衰减预测公式,主要研究工作包括:(1)从格子玻尔兹曼方法、基于流体体积法的自由液面模型以及浸入式边界法的原理出发,阐述了其可以用来模拟有自由液面的流固耦合问题的理论基础,进而改进了界面格子处浸入式边界力的求解方法,并进行试验和理论验证。(2)基于改进的浸入式边界-格子玻尔兹曼方法,系统地模拟研究了多种滑块入水角、前倾角的组合条件下首浪特征。通过将模拟首浪最大波高与经典的经验公式预测结果进行对比,验证了模拟结果的准确性。进一步分析了滑块涌浪过程的能量转化机制,将滑坡体涌浪过程划分为三个能量转化阶段:总能增加阶段、能量耗尽阶段及波浪传播阶段。并讨论了这三个阶段中能量耗散的主要原因。(3)模拟探究了多块体相继入水对涌浪高度的影响,发现多个块体入水对涌浪最大波高的影响较小,但最大波高沿程衰减会因波浪类型的不同导致出现不同的结果。讨论了滑坡涌浪可能出现的类斯托克斯波、类孤立波、类椭圆余弦波以及类孤立波四种典型的非线性波,并通过小波能谱分析对这四种波的传播特性以及主控频率进行了分析。进而改进了不同涌浪波形的波幅衰减预测公式,并实验验证了其正确性。
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