基于SPH的新型人工块体TB–CUBE设计优化和水动力特性数值模拟

彭程, 王昊, 张华庆, 陈汉宝, 赵旭

doi:10.15961/j.jsuese.202200449

工程科学与技术 ›› 2023, Vol. 55 ›› Issue (05) : 181 -190. DOI: 10.15961/j.jsuese.202200449

基于SPH的新型人工块体TB–CUBE设计优化和水动力特性数值模拟

彭程, 王昊, 张华庆, 陈汉宝, 赵旭

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摘要

为探究高透空性新型人工块体TB–CUBE的最优结构尺寸型式及其水动力特性，利用基于光滑粒子方法（smoothed particle hydrodynamics,SPH）的DualSPHysics开源代码开展斜坡堤新型人工块体TB–CUBE数值模拟研究，探究其在规则波作用下的爬高和越浪等水动力特性及波浪变化规律。结果表明：数学模型模拟的爬高和越浪与物理模型试验的实测值误差分别在6%和9%以内，可较好地刻画波浪在人工块体上的演变过程。基于此验证模型，分析不同细部尺寸参数下块体的水动力特性，综合块体爬高、反射系数、越浪、块体孔隙率和材料用量等因素，得到最优消浪效果所对应TB–CUBE块体的球相对半径R1、圆柱相对半径R2与块体边长h的关系。在此基础上，以优化后的TB–CUBE块体为对象，分析其爬高和越浪的过程，揭示出该块体的消浪机理主要为相邻块体之间的圆孔对波浪的爬高和回落均有阻滞作用，且块体内部孔隙可以容纳水体并形成紊流效能，可以相应地减少波浪的爬高。此外，研究斜坡坡度、堤前水深、入射波高和波周期等对波浪爬高的影响，得到TB–CUBE块体爬高随入射波高和波坦的增大而增大，而随坡度的变化呈现单峰曲线的变化趋势。进一步考虑不同波浪破碎形态对波浪爬高的影响，拟合得出TB–CUBE块体的爬高经验公式，公式拟合值与模型计算值相关系数达0.981，能够真实反映该块体的爬高情况，为今后该块体在海岸工程中的实践运用提供科学依据。