Simulating Oscillatory and Sliding Displacements of Caisson Breakwaters Using a Coupled Approach

SPH modeling of caisson stability on rubble-mound foundation under wave action

“…在充分总结工程经验的基础上，近年来学者们提出了一系列的简化数学模型，用于求解可渗基床上直 立式防波堤的运动特征 [1] 。这类模型一般忽略上部实体结构自身的变形，通过经验公式来近似实体结构与 下部可渗基床间的接触与摩擦作用，并将波浪荷载作为外部输入条件，求解刚体运动方程，进而获得实体 结构的运动响应 [2,3] 。为了率定上述数学模型引入的阻尼系数和劲度系数等经验参数，目前学者们已开展了 大量的物理模型试验研究 [2~4] ，获得了丰富的校核试验数据。 直立式防波堤在波浪作用下的动力响应，可以归结为波浪、可渗介质和实体结构物三者间的相互作用 问题。精确描述自由液面的演化、可渗介质内的渗流流动以及可渗介质与实体结构物间的接触力，是准确 模拟三者间复杂相互作用的前提。 Elsafti 等人 [5] 提出了 CFD-CSD (computational fluid dynamics-computational structural dynamics) 耦合模型， 将沉箱结构耦合到流体计算域中， 开展了波浪与直立堤间的相互作用研究， 分析了可渗基床的弹性变形对孔隙水压力和接触界面处压力空间分布的影响。 Giovanni 等人 [6] 采用与 Elsafti 等人 [5] 类似的研究思路，使用有限单元法(finite element method，FEM)计算基床内外的流体运动，根据 沉箱边界节点上的荷载信息计算沉箱结构的位移，分析了入射波高、基床透水性等对沉箱受力和运动响应 特征的影响。 对于有自由表面的流体运动问题，基于欧拉网格的数值方法多需要引入 VOF(volume of fluid)等算 法，用 于捕捉自由液面的演化过程。然而，当自由表面变形较大或者出现液滴飞溅、分离等非连续现象时， 该类方法可能因网格畸变导致计算中断。光滑粒子流体动力学(smooth particle hydrodynamics，SPH)方 法作为一种基于拉格朗日观点的无网格方法，其独特的拉格朗日与无网格特性，在处理涉及大变形自由表 面流动问题时具有很大的优势；且在模拟流固耦合运动与接触问题时，无需对界面做特别处理，即可满足 不同介质间的物面边界条件 [7~10] 。 Iwamoto 等人 [11] 通过采用 SPH 方法模拟流体运动，引入离散元方法(discrete element method, DEM) 描述可渗介质变形和结构运动，建立了 SPH-DEM 耦合数学模型，模拟了海啸波冲击作用下沉箱式直立堤 的滑移破坏与基床冲刷变形过程。Rogers 等人 [12] 与将基床近似为不透水结构，仅考虑基床与沉箱间的接触 作用，忽略基床内渗流的顶托影响，开展了不透水基床上沉箱结构的运动响应研究。近年来，多个研究团 队 [13,14] 基于物质点法(material point method, MPM)和 SPH 等方法先后提出了多个渗流模型，用于描述可 渗结构附近的波浪变形和结构内的渗流流速分布规律。在上述渗流模型基础上，Akbari 等人 [15] 将基床结构 近似为多孔介质，建立了波浪与直立式防波堤相互作用的 SPH 渗流模型，讨论了可渗基床上沉箱结构受到 的流体作用力和沉箱结构的运动响应，但该模型仅关注了沉箱沿基床接触面方向的滑移运动，忽略了沉箱 的摇摆运动。 目前，在采用 SPH 方法模拟波浪与近海结构物相互作用的相关研究中，多将结构物按空间位置固定处 理，忽略结构的运动响应，主要关注点也多聚焦于波浪变形、结构受力以及结构附近速度场和压力场的变 化规律等信息 [16~18] ，对于结构物的运动响应及失稳状态判断研究相对较少 [12,15] 。本文基于现有研究成果， 采用 SPH 渗流模型考虑基床内渗流作用，在可渗介质区域顶面构造接触滑动界面，模拟透水基床-沉箱结 构间的支持与摩擦作用，建立波浪-可渗介质-实体结构物的相互作用数学模型。以 Wang 等人 [4] 的直立式防 波堤物理模型试验作为模拟案例，验证波浪作用下沉箱结构的受力特征，以及沉箱结构的滑移和摇摆运动 响应规律。…”