1、波浪是海岸、海洋工程中最重要的動力因素之一.由于波浪作用而引起結構物附近海床的局部沖刷,污染物、泥沙在結構物前的漩渦區(qū)內滯留、沉積,以及結構物共振等問題在實際工程中屢見不鮮.因此,波浪與結構物的相互作用是海岸、海洋工程的設計、施工和管理中十分重要的問題.波浪與結構物的相互作用是指:由于受到波浪力的作用結構物發(fā)生變形、位移和由于結構物變形、位移引起的波浪變形、波浪力改變.這兩個過程相互影響,同時進行.由于科研水平的限制,在早期研究中,研究

2、者往往通過假定結構物固定來研究波浪的變形、波浪場中物理量的分布以及結構物受到的波浪力,或者通過假定波浪力為定值或按已知規(guī)律變化來研究結構物的變形和位移.隨著計算機技術的提高,研究者改用交替求解波浪場的變化和結構物的變形、位移,并通過流固接觸邊界上相容條件來達到兩個求解域動力耦合的方法來解決此相互作用問題.由于此類方法并非在整個計算域內采用統(tǒng)一的控制方程同時求解所有未知物理量,因而不是完全意義上的波浪與結構物的相互作用. 本文借鑒

3、多相流動中的虛擬區(qū)域法,將結構物等效為應變率為零的虛擬流體,對整個計算域(包括流體域和固體域)采用Navier-Stokes方程為其控制方程,并應用分布式拉格朗日乘子法在虛擬流體區(qū)域上施加剛體約束,建立了統(tǒng)一的波浪與結構物相互作用的流固耦合動力方程.此耦合方程采用速度和壓強為基本變量,在整個計算域內同時求解所有未知量,因而是完全意義上的波浪與結構物的相互作用.在求解Navier-Stokes方程時,本文通過應用Characteristi

4、c方法來解決高Reynolds數(shù)下對流占優(yōu)流動的數(shù)值振蕩問題,并通過Uzawa共軛梯度法來求解剩余的一般化的Stokes問題.此方法具有求解精度和計算效率均較高的特點. 二維空腔流動和二維圓柱繞流的數(shù)值實驗驗證了此法的正確性. 在處理自由表面流動問題時,本文提出了MLER(Modified LagrangianEulerian Re-map)界面對流法,并應用此法提出了基于非結構化三角形網(wǎng)格的VOF法.此法具有體積守恒性

5、好、邊界擬合精度高的特點,可以適用于具有任意復雜的曲線邊界的計算域,且不引入任何邊界處理和人為耗散.界面重構、無應變流動和大應變流動數(shù)值實驗表明此法具有較高的精度和二階的誤差收斂率.應用高Reynolds數(shù)下Navier-Stokes方程的求解方法和基于非結構化三角形網(wǎng)格的VOF法,建立了豎向二維數(shù)值波浪水槽.在波浪的入射邊界,采用可吸收式數(shù)值造波邊界來產生入射波,并消除波浪的二次反射.在波浪的透射邊界,采用海綿層來吸收波能,以消除波浪