极端水力条件下流体、漂浮物及结构物间的相互作用机理

Most of the current research in tsunami and storm surge has been based on the assumption of "clean" water. The interactive processes between the floating debris and structures and between the floating debris and the background fluid flow have not been well explored and understood. There is no modelling tool for simulating and predicting these complicated processes. This project aims to model and analyse the fluid-floating debris-structure interaction under the extreme hydraulic conditions induced by tsunami or storm surge by conducting laboratory experiments and carrying out numerical simulations, which will also enable the quantification of the extra impact force produced by floating debris. The laboratory experiments will help us understand the interaction processes and produce measured data for calibration and verification of numerical models. When developing a new modelling tool, an existing 2D shallow flow model will be dynamically coupled with a discrete element model by including extra source terms in the governing equations. The new coupled model will be computationally accelerated by taking advantage of modern GPU computing. The coupled model will be then used to carry out parameter study in order to understand the detailed processes and mechanism of fluid-floating debris-structure interaction. The proposed project will fill a current research gap in tsunami and storm surge research. The research outputs in terms of knowledge and modelling tool will have important scientific values and facilitate better planning and design of structures in those areas vulnerable to tsunami or storm surge risk.

目前国内外对海啸和风暴潮的大部分研究都基于"纯水"假定，对于漂浮物跟结构物的相互作用以及漂浮物跟水流本身的作用并不了解，也没有模型工具可以模拟预测这些过程。本项目拟结合物理模型试验和数值模型模拟来分析极端水力条件下流体-漂浮物-结构物间的相互作用过程，并量化漂浮物在撞击过程中所产生的附加力。通过观察和测量，物理模型试验将有助于我们了解这个相互作用的过程，并为数值模型的率定与验证提供数据。在建立新的模拟预测工具中，现有的二维浅水动力学模型将与离散元模型通过联合求解控制方程源项的方式实现动态耦合。耦合模型将结合现代图形处理器（GPU）算法来提高计算速度，并用于开展大量的数值模拟试验，利用数值结果总结归纳流体-漂浮物-结构物之间相互作用的规律及机理。本项目填补了目前在海啸和风暴潮研究中的一个空白，研究成果具有极大的科学价值，可为海啸和风暴潮多发地区建筑物的规划和设计提供科学依据与模型工具。

随着全球气候变化带来的影响逐渐加剧，海啸、风暴潮等对人类社会造成灾害的极端事件发生机率也逐渐增强。国内外对极端水力灾害的大部分研究基于“纯水”假定，对于水流携带漂浮物情况下与结构物的相互作用以及漂浮物对水流的作用缺少了解，也没有模型工具可以模拟预测这些过程。本项目首次构建了极端水力条件下，水流-漂浮物-结构物相互作用的物理模型和数值模型。建立了相同极端水力条件下“纯水”、“水流-结构物”与“水流-结构物-漂浮物”相互对比系列试验，得到了结构物在不同环境下的受力过程与最大峰值的受力构成。开发了一个基于GPU加速的可以模拟多重多源水灾害的水动力与离散元双向耦合模型，该模型完全利用水流的水力特性来计算漂浮物运动，突破了依靠人为选定参数计算水流力的局限。本项目最终运用所建的耦合数值模型，与物理试验模型相结合，进行了流体-漂浮物-结构物相互作用机理的研究。在沿海建筑物灾害评估领域，首次提出了一套结合受力与破坏形态的决定性评估方法，使得数值模型可以全面、完整的拟合极端水力灾害事件从形成、传播，到致灾、破坏的全过程。本项目为有效地分析与评估、防范与减少灾害带来的损失提供了新的研究手段，为保护沿海地区人民的生命与财产作出了贡献。