《极端水力条件下流体漂浮物及结构物相互作用模拟研究》熊焱作|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《极端水力条件下流体漂浮物及结构物相互作用模拟研究》

【作　者】熊焱作

【页 数】 146

【出版社】 南京：河海大学出版社 , 2022.07

【ISBN号】978-7-5630-7588-1

【价 格】80.00

【分 类】水工建筑物-相互作用模型-研究

【参考文献】 熊焱作. 极端水力条件下流体漂浮物及结构物相互作用模拟研究. 南京：河海大学出版社, 2022.07.

图书封面：

图书目录：

《极端水力条件下流体漂浮物及结构物相互作用模拟研究》内容提要：

本书共分六章，具体内容如下： 第一章：叙述了研究水灾害中漂浮物的意义及国内外研究现状，讨论了目前研究中存在的一些问题，阐述了本书的主要内容。 第二章：首先介绍了基于浅水方程的水动力模型，以及模拟水流与结构物的计算模块；其次介绍了模拟固体漂浮物的离散元模型，以及其中采取的多颗粒法计算方式；再次推导了流固相互作用的计算方式，构建了一个双向动态耦合的水动力一离散元数值模型；最后通过物理模型试验对模型进行了初步的验证。 第三章：从水流-结构物、水流漂浮物、水流-漂浮物-结构物三个方面分别对构建的耦合数值模型进行了进一步的验证，通过模拟获得的水力特征值、漂浮物运动规律、结构物受力过程等，对比了“纯水”条件和考虑漂浮物条件下结构物的受力区别，阐明了极端水力条件下水流-结构物-漂浮物相互作用的物理过程，揭示三者之间相互作用的变化规律。 第四章：介绍了一种全新的基于水流力的确定性建筑物破坏状态评估预测方法，并在实际尺度上，对极端水灾害事件中“纯水”条件下的建筑物进行了破坏状态的预测。 第五章：利用构建的数值模型与建筑物破坏状态评估预测方法，对实际尺度上极端水灾害事件中，考虑不同漂浮物条件下的建筑物进行了破坏状态的预测，对比了不同条件下建筑物破坏状态的区别，揭示了水灾害模拟研究中漂浮物影响建筑物破坏状态的重要性。第六章：总结了主要研究成果，提出了对未来研究的展望。

《极端水力条件下流体漂浮物及结构物相互作用模拟研究》内容试读

《第一章》

绪论

1.1研究背景

近年来，由于地壳剧烈运动引发的海啸频发，严重地威胁着人类生命及财产的安全。长期以来，海啸被认为是极其罕见的海洋灾害。然而，最新统计数据表明，每年都有造成重大死亡和巨大经济损失的海啸事件发生，海啸的发生概率远高于之前的估计，其在全球范围沿海地区是属于中等风险灾害。虽然海啸在外海的波高可能不足1，但当它到达近岸浅水地区时，波高急剧增高，呈现出高达数十米的巨浪。这些蕴含巨大能量的“水墙”以摧枯拉朽之势击溃沿海防护工程传至陆地，吞没所经过的一切建筑物。如2004年12月26日印度尼西亚的苏门答腊外海发生里氏9.3级海底地震，地震引发的海啸沿印度洋海岸线的波高达30。海啸波袭击斯里兰卡、印度、泰国、印度尼西亚、马来西亚、孟加拉、马尔代夫、缅甸和非洲东岸等14个国家和地区，造成30余万人丧生，其中仅在斯里兰卡就有约9.6万座建筑物被毁坏。图1-1为印度尼西亚亚齐特别行政区首府班达亚齐(Banda Aceh)海岸地区受海啸袭击前后的情形，图片清晰展示了海啸巨大威力带来的破坏性。

(a)2004.6.23

(b)2004.12.28

图1-1班达亚齐海岸地区受印尼海啸袭击前后卫星图片

2011年3月11日，由于太平洋板块向欧亚板块长期缓慢移动，累积了数百年的能量在瞬间爆发，导致了日本东北部海域发生里氏9.0级地震，致使该海域

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极端水力条件下流体、漂浮物及结构物相互作用模拟研究

出现规模巨大的海面隆起。隆起的水体随后在重力作用下向四周扩散，产生规模巨大的海啸。海啸引发的巨浪侵入内陆超过10km的范围，出现高达23m的近岸波浪爬高。此次海啸导致了超过约15000人死亡，超过4000条道路和桥梁被摧毁或损坏，造成121739座建筑物完全倒塌和279088座建筑物部分受损，并引发了严重的核泄漏事故，经济损失高达上千亿美元，成为自1990年以来损失最高的海啸灾害事件3幻。同时，我国海岸线绵长，沿海地区有多次遭受海啸袭击的历史记录，南海地区更因马尼拉海沟的存在，具有遭遇特大海啸袭击的可能性

此外，受全球气候变化的影响，台风及温带气旋等气象灾害频发，由其引发的风暴潮灾害日益明显。风暴潮的影响区域通常会随着台风和温带气旋的移动而移动，其影响范围可达上千千米且持续数天至数十天不等。若其发生于天文大潮期间，则破坏力进一步加强。风暴潮通常伴随着大浪一起来袭，不仅导致土地淹没、堤防冲毁、海难侵蚀、房屋毁坏等，还会对航运、海岸边电厂、港口码头产生恶劣的影响。如2005年卡特里娜飓风(Hurricane Katrina)对美国新奥尔良地区造成了严重的破坏，飓风及其激发的风暴潮导致了1800多人的死亡，经济损失高达1080亿美元，成为有史以来破坏力最强的一次大西洋飓风灾害。2012年横扫美国东海岸的桑迪飓风(Hurricane Sandy)在纽约引发了500年遇的风暴潮。飓风及风暴潮影响了美国1/5人口，造成至少113人死亡。仅在纽约就导致了43人死亡，造成直接经济损失超过190亿美元]。同时，在全球气候变化影响下，海平面上升还将进一步加剧这些灾害的影响。预计美国的海平面到2080年会上升0.3~1.4m,而这次“500年一遇”的灾害事件也将成为25~240年一遇6.2017年8月20日，15级的强台风“天鸽”恰逢天文大潮登陆我国珠海，对珠海、香港、澳门等地区造成了重大破坏，其风力之大、降雨量之强使珠江口西岸地区遭受到几十年一遇的罕见风灾，造成了24人死亡和68.2亿美元的重大经济损失。

随着经济的发展，这类极端事件对沿海地区所造成的损失也逐渐增加，吸引了越来越多的学者投身于该领域的研究。如2004年印尼海啸事件重新唤醒了人们对海啸的研究热潮并极大地推动了与海啸相关的科学研究7]，随之而来的众多海啸模型被开发并得到了广泛应用，如欧盟研究中心开发的全球灾害预警与协调系统(GDACS)1o、美国华盛顿大学开发的GeoClaw海啸数值模型山，极大地提升了沿海地区对海啸的预警能量12四

在内陆地区，洪水灾害也一直是人类关注的焦点。统计数据表明，我国洪水灾害造成的损失占各种自然灾害总损失的40%]，且随着极端强降水事件逐年增多和城市化的发展，突发性洪水所造成的社会经济损失还在进一步加剧1]。在2020年6一8月全国汛期期间，多地普降大雨，数百条河流遭遇了超

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第一章绪论

警戒线洪水，最高水位多次超历史纪录。全国报道共27省6346万人次受灾，死亡失踪219人，倒塌房屋5.4万间，直接经济损失达1789.6亿元

在多次极端水灾害相关的新闻视频及灾后调查中，人们发现快速演进的水流在淹没堤岸的同时，还会卷起并携带着树木、车辆、失控船只等，水流携带着大量大小及形状不一的漂浮物一同前进，进一步加剧灾害影响。如图1-2和图1-3

(a)海啸波挟带汽车向内陆推进

(b)被破坏的集装箱

(©)岩手县海啸过后一艘轮船漂浮在房屋的顶部

(d)海啸过后被冲到屋顶的小轿车

图1-2日本海啸记录照片

(a)2020年湖北恩施洪水中车辆被水流卷走

(b)2020年四川乐山岷江洪水中失控

船只撞毁一座在建临时用桥

图1-3突发性洪水中漂浮物致灾现象

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极端水力条件下流体、漂浮物及结构物相互作用模拟研究

所示，在2004年及2011年的海啸灾害中，一个显著的特征就是海啸携带着延绵数千米的漂浮物一起涌到岸上，如在港口大量堆放的集装箱被巨浪打翻并挟带着与储油罐、办公楼、住宅等建筑物发生撞击并导致严重结构损坏。这些漂浮物不仅对各种沿岸构筑物造成了远大于单纯水流的破坏，还会对水流途经区域的防汛救灾工作造成严重的阻碍。

同时，漂浮物还会引发水道阻塞，导致水位雍高，加大桥梁或水工设施上所遭受的水流力至其垮塌，扩大灾害范围，如图1-4所示。2004年8月，英国的

Boscastle小镇被一场毁灭性的山洪袭击，115辆汽车被洪水冲走。其中的一些车辆被堵塞在一座桥梁下的河道处，巨大的水压力最终导致桥梁倒塌16]，引发了类似溃坝的洪水过程，极大地加剧了灾害风险。在飓风“桑迪”的灾后考察工作中发现，风暴潮过程中导致美国新泽西州海滩区域破坏的主要原因是结构物的遮蔽作用和水流挟带的漂浮物的撞击作用1刀。在2011年日本海啸之后，中日联合代表考察团指出，海啸造成的建筑破坏表现为两个方面，其中一个方面是海啸自身水动力的影响，另一个方面则是水中漂浮物所产生的额外影响)。许多灾后实地调查都表明，当水流携有大量漂浮物时，其破坏作用要远远大于海啸前期的单纯水流19]，更能造成严重的建筑物损毁12。特别是漂浮物之间还存在着相互作用关系，如树木枝权的堆积、汽车之间的相撞等，这些相互作用有可能会造成可燃液体的泄漏，进而导致爆炸、火灾等次生灾害。

(a)2013年辽宁浑河洪水抚顺大伙房

(b)2004年英国博斯卡斯尔洪水中

水库在洪灾中出现的漂浮物坝

车辆与树木堆积在桥梁处

图1-4漂浮物堆积现象

漂浮物的来源大体上分以下五类，前四类为常见的存在于水库或河道中的漂浮物。分别是自然垃圾，植物的根、枝、叶、杂草等受雨水冲刷后随水流进入江河汇集于水面形成自然漂浮物：生活垃圾，人类生产活动加剧和管理失控导致生活垃圾进入河流构成人工漂浮物；水生生物，水体富营养化造成水葫芦、绿萍等猖獗蔓延产生水生植物漂浮物；冬季浮冰，寒冷地区冬季冰块和冰屑等漂浮在水

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第一章绪论

面也构成水面固体漂浮物。而在极端水灾害事件中，由于水流涉及的动量惊人，能够卷起原有陆地或水中可移动的物体，成为第五类漂浮物，如垃圾箱、车辆、集装箱、船只等，造成远超出人们意料的破坏，故本书将重点围绕该类仅出现在极端水灾害中且造成额外破坏的漂浮物开展研究与探讨。

尽管海啸、风暴潮、突发性洪水在形成机制、持续时间以及影响范围上不尽相同，但它们在登陆后的演进过程中却有着很多相同的水力特征。这些由海啸风暴潮或突发性洪水引发，包含强对流浅水波的水流状况被视作为极端水流。但是到目前为止，对极端水灾害的研究以及相应的模拟大多数是基于“纯水”假设。对这些水力条件下漂浮物运动的研究还处于初步阶段，对于水流一漂浮物一结构物的相互作用还缺乏深人了解，也缺乏有效的模型工具。而忽略漂浮物作用会在很大程度上影响模拟结果的准确性，这已经成为当前对于海啸及风暴潮数值模拟中的重要局限2]。因此，在极端水灾害事件频繁发生的当下，有必要对风暴潮、海啸或突发性洪水等极端水流所携带的漂浮物运动进行深入的研究，弄清流体、漂浮物及被撞击的结构物之间相互作用的物理过程及机理。同时，还需要制定可靠的方法来评估极端水灾害对建筑物和基础设施的影响，以促进沿海地区或洪泛区的风险管理、城市规划和建筑设计的发展。

1.2研究现状

近年来，学术界针对极端水灾害中水流淹没过程及“纯水”致灾机制开展了大量研究3如，极大地丰富了河口海岸水动力学的内涵，增进了对灾害本质的认识。在2011年日本海啸之后，学者们开始关注极端水灾害中漂浮物的致灾问题，并围绕浪流、漂浮物及其与结构物相互作用机理及相应的破坏评估等物理过程，从流体力学（水灾害模拟）、结构力学（结构物破坏）、高效计算模拟（显卡

GPU计算)等方面，利用理论分析、物理模型试验和数值模拟等方法开展了相关

研究。但是，这些研究所关注的浪和流在水力特性上跟海啸、风暴潮或突发性洪水都有着或多或少的区别，因此，大多数成果在研究极端水力条件下的流体一漂浮物一结构物相互作用中并不能借鉴

对于已有的相关国内外研究成果及研究动态，将从以下几方面进行总结、概括与评价：首先是漂浮物物理模型以及理论研究；其次重点回顾目前涉及极端水力条件下漂浮物的数值模型研究：最后简要叙述现有的海啸等自然水灾害下结构物受漂浮物撞击力，以及总体建筑物破坏的评估方法研究」

1.2.1极端水力条件下漂浮物物理模型以及理论研究

为了研究漂浮物的基础运动，专家学者们通过物理模型试验和理论研究进

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···试读结束···