[发明专利]一种涌潮与海塘相互作用的SPH数值模拟方法

说明书

本发明涉及一种涌潮与海塘相互作用的SPH数值模拟方法，包括(1)海塘原模型布置：涌潮从模型左侧进入，涌潮到达前保持静止，涌潮潮高2.0m，涌潮水流速度6.0m/s；陡墙式海塘坡度7:3、高6.0m的阶梯状斜坡，堤脚距左侧生潮边界70m，海塘上部为14.0m宽的平台，之后依次为1:1.5的斜坡、挡浪墙以及后方平台；(2)海塘比较模型布置：假定与原海塘结构牢固联结，在海塘迎潮面设置“圆弧段+挑流段”组合的挡潮结构。本发明在海塘迎潮面设置“圆弧段+挑流段”组合的挡潮结构，并与原海塘结构牢固联结，提出一种合理确定“圆弧段+挑流段”组合挡潮结构面的设计参数的分析技术，实现潮流的反转和定向、定高挑流。

技术领域

本发明涉及一种涌潮与海塘相互作用的SPH数值模拟方法，属于水利工程防灾减灾技术领域。

背景技术

光滑粒子流体动力学法(Smoothed Particle Hydrodynamics,SPH)，最早由Gingold和Monaghan，Lucy在1977年分别提出，旨在解决三维开放空间中的天体物理学问题。SPH方法通过大量粒子来离散研究对象，每一个粒子代表该对象中的介质团，粒子之间无直接的网格联系，因此可以有效地避免传统网格方法难以处理的网格畸变问题。这种粒子系统不仅具有直观的物质属性，即密度、速度、压强等宏观物理量，还兼具计算节点的功能。通过对节点邻域内的所有粒子进行加权累加，可以用来估算场变量、对控制方程进行离散近似。本发明采用的数学模型基于SPH方法直接求解Navier-Stokes方程，适宜用来模拟具有复杂自由表面的强非线性水动力学现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种涌潮与海塘相互作用的SPH数值模拟方法，在海塘迎潮面设置“圆弧段+挑流段”组合的挡潮结构，并与原海塘结构联结成整体。应用本专利方法，可合理确定“圆弧段+挑流段”组合挡潮结构面的设计参数，以实现涌潮潮流的反转和定向、定高挑流。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种涌潮与海塘相互作用的SPH数值模拟方法，包括以下步骤：

(1)海塘原模型布置：其中涌潮潮流从模型左侧进入，低潮位水深为1.0m，涌潮到达前保持静止，涌潮潮高2.0m，涌潮水流速度6.0m/s；海塘坡度7:3、高6.0m的阶梯状斜坡，塘脚距左侧生潮边界70m，海塘上部为14.0m宽的平台，之后依次为1:1.5的斜坡、挡浪墙以及后方平台；

(2)海塘比较模型布置：在海塘迎潮面设置“圆弧段+挑流段”组合的挡潮结构，并与原海塘结构牢固联结。

所述SPH数值模拟涉及涌潮与海塘相互作用的全过程分析，包括涌潮传播、潮流遇海塘涌高后直接抛射或反转挑流和越浪后水流在平台上的运动。

基本工况条件为：低潮水深1.0m，涌潮潮高2.0m，涌潮水流速度6.0m/s；

挑流段比选参数：长度L_t为1.0m、2.0m或3.0m，挑流角θ为45°、60°或75°。

所述步骤(1)中，模型中所有结构物均采用不可渗透固边界。

所述步骤(2)中，模型中圆弧段下端与原塘身平顺相切，上端与挑流段平顺相切。

本发明的有益效果如下：

本发明的涌潮与海塘相互作用的SPH数值模拟方法，拟定了3种挑流角和3种挑流段长度的不同组合，以分析不同情况组合条件对挑流高度和挑流距离的影响，同时给出各工况中平台上越浪水流的最大流速和最大流量，为有效解决陡墙式海塘观潮安全与涌潮景观维护的难题提供一种可行的分析技术与方法。

附图说明

图1为海塘原模型布置示意图；

图2为海塘比较模型布置示意图；