本文選題：海嘯　切入點：顯式算法　出處：《哈爾濱工業(yè)大學(xué)》2017年博士論文

【摘要】：海嘯是一種破壞力極強的自然災(zāi)害。當(dāng)海嘯在近岸登陸時由于攜帶巨大的能量,將會對沿�；A(chǔ)設(shè)施產(chǎn)生很大的破壞力,嚴(yán)重影響沿岸居民生活。為了減小海嘯對近岸居民生命財產(chǎn)的威脅,全球多個國家開展了海嘯預(yù)警研究,以達到對海嘯進行預(yù)警的目的。目前國際上主流的海嘯預(yù)警主要采用淺水方程與實測數(shù)據(jù)相結(jié)合的模型。在海嘯的預(yù)警中數(shù)值模型的計算時間非常重要,較快的數(shù)值模型能夠節(jié)省預(yù)警時間,從而減小海嘯所帶來的災(zāi)害。橋梁作為近岸重要的交通樞紐,在海嘯發(fā)生時很容易受到波浪的沖擊從而產(chǎn)生破壞,因此研究近岸橋梁在海嘯作用下的受力形式和破壞機理具有重要的意義。本文基于數(shù)值模擬和水動力試驗對上述問題進行了研究,主要內(nèi)容如下:(1)將求解波動方程的顯式數(shù)值算法引入到海嘯數(shù)值模型COMCOT中,從而加快海嘯模型的計算速度。為了使顯式的海嘯數(shù)值模型能夠模擬海嘯的近岸爬高,將求解線性淺水方程的顯式算法和求解非線性淺水方程的有限差分方法相結(jié)合,提出了新的網(wǎng)格之間的嵌套算法。并利用2004印尼海嘯對算法的有效性進行驗證。(2)對于以淺水方程為控制方程的海嘯模型,如何考慮海嘯傳播過程中的色散性問題,一直是圍繞淺水方程模型的熱點研究方向。本文主要聚焦在如何使顯式的數(shù)值算法能夠在常網(wǎng)格條件下滿足海嘯在變化地勢傳播過程中所包含的色散問題。為了達到這一目的,由顯式數(shù)值模型出發(fā)引入一個可變參數(shù),推導(dǎo)了新的色散算法和相應(yīng)的色散條件,用來應(yīng)對地勢的變化,使海嘯在可變地勢條件下傳播中的物理色散可以由常網(wǎng)格條件下的數(shù)值色散考慮,簡化了色散條件,提高了計算效率。(3)采用孤立波替代海嘯,試驗研究了橋梁上部結(jié)構(gòu)形式、凈空和波高對波浪力的影響規(guī)律。試驗中研究了五種不同橋梁上部結(jié)構(gòu)形式,在三種凈空高度和四種波浪幅值條件下所受波浪力的特征,并通過在橋梁上部結(jié)構(gòu)設(shè)置通氣孔研究了通氣孔對橋梁所受波浪力的抑制效果。(4)利用開源數(shù)值軟件OpenFOAM建立了橋梁在海嘯作用下的數(shù)值模型,并開展了數(shù)值模擬研究,研究了不同形狀的橋面板與波浪作用過程的流場特征。通過流場分析確定了橋梁在波浪作用下的破壞機理。同時,利用數(shù)值模型研究了防撞墻對波浪與橋面板之間流場的影響,揭示了防撞墻對所受波浪力的影響規(guī)律。此外,利用數(shù)值模型研究了通氣孔對流場的影響及其波浪力抑制原因,分析了通氣孔的形狀、大小和位置對橋梁所受波浪力的影響規(guī)律。
[Abstract]:A tsunami is a very destructive natural disaster. When a tsunami makes landfall on the shore, it will have a great deal of damage to coastal infrastructure because of its enormous energy. Seriously affecting the lives of coastal residents. In order to reduce the threat of the tsunami to the lives and property of inshore residents, many countries around the world have carried out tsunami warning studies. In order to achieve the purpose of tsunami warning, the current mainstream tsunami warning model mainly uses shallow water equation and measured data. The calculation time of numerical model is very important in tsunami early warning. The fast numerical model can save the warning time and reduce the disaster caused by the tsunami. As an important transportation hub near the shore, bridges are vulnerable to waves and damage when the tsunami occurs. Therefore, it is of great significance to study the force form and failure mechanism of near-shore bridge under the action of tsunami. The above problems are studied in this paper based on numerical simulation and hydrodynamic test. The main contents are as follows: 1) the explicit numerical algorithm for solving wave equation is introduced into the tsunami numerical model (COMCOT) to speed up the calculation of the tsunami model. The explicit algorithm for solving linear shallow water equation is combined with the finite difference method for solving nonlinear shallow water equation. A new nesting algorithm between meshes is proposed, and the effectiveness of the algorithm is verified by the 2004 Indonesian tsunami. How to consider the dispersion problem in the tsunami propagation process for the tsunami model with shallow water equation as the governing equation. This paper focuses on how to make the explicit numerical algorithm satisfy the dispersion problem in the process of the tsunami propagating in the changing terrain under the condition of constant grid. In order to achieve this purpose, this paper focuses on the research direction of the shallow water equation model. Based on the explicit numerical model, a variable parameter is introduced, and a new dispersion algorithm and corresponding dispersion condition are derived to deal with the change of terrain. The physical dispersion of tsunami propagating under variable terrain condition can be considered by numerical dispersion under constant grid condition. The dispersion condition is simplified, and the calculation efficiency is improved. The influence of clearance and wave height on wave force. The characteristics of wave force under three clearance heights and four wave amplitudes have been studied in the experiment of five different bridge superstructure forms. By setting the ventilation holes in the superstructure of the bridge, the suppression effect of the ventilation holes on the wave force of the bridge is studied. (4) the numerical model of the bridge under the action of the tsunami is established by using the open source numerical software OpenFOAM, and the numerical simulation research is carried out. In this paper, the characteristics of flow field of bridge deck with different shapes are studied. The failure mechanism of bridge under wave action is determined by flow field analysis. At the same time, the effect of collision wall on the flow field between wave and deck is studied by using numerical model. The influence of the wall on the wave force is revealed. In addition, the influence of the ventilation hole on the flow field and the reason of wave force suppression are studied by using the numerical model, and the shape of the ventilation hole is analyzed. The influence of the size and position of the bridge on the wave force.
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：U441;TV139.26

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本文編號：1690780