内容简介

本书系统阐述了格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)在海岸工程中的应用,重点探讨其在波浪、水流与复杂结构物相互作用中的理论基础,数值实现及工程应用。全书内容涵盖LBM的基本理论、数值模型构建与验证,以及其在二维和三维数值波浪水槽中的应用研究,主要关注数值水槽稳定性、边界条件适用性,复杂多相流模型开发等数值理论问题,成功构建了海岸与海洋工程领域中海洋动力与结构物相互作用数值模拟新工具。

本书内容精炼,理论与实践并重,既可作为海岸工程,海洋工程及相关领域研究人员的参考书,也可为从事数值模拟和工程设计的工程师提供理论支持和技术指导。

目录

前言/序言

21世纪是海洋工程蓬勃发展的时代，随着全球对海洋资源开发需求的日益增长，海洋动力与结构物相互作用的研究成为海洋工程领域的关键课题之一。波浪作为海洋环境中最主要的动力荷载之一，对海洋结构物的安全性和稳定性具有重要影响。然而，波浪与结构物相互作用的复杂性使得传统数值模拟方法在精度和效率上面临诸多挑战。近年来，格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)作为一种新兴的数值模拟技术，凭借其高效性、并行性和对复杂边界条件的适应性，逐渐成为研究流体-结构物相互作用的有力工具。

虽然传统波浪模拟方法，如基于Navier-Stokes方程的有限元法或有限体积法，在流固耦合领域取得了显著成果，但其计算成本高、边界条件处理复杂等问题限制了其在复杂工程中的应用。相比之下，LBM基于介观粒子动力学理论，通过简化流体运动的描述，能够高效地模拟复杂流场和多相流动现象。特别是在波浪与结构物相互作用的研究中，LBM能够精确捕捉波浪的传播、反射、绕射及结构物周围的流场特征，为海洋工程设计和优化提供了新的视角。

LBM在流体-结构物相互作用中的应用始于20世纪末，随着计算能力的提升和算法的优化，其应用范围逐渐扩大。近年来，国内外学者在LBM的数值格式、边界条件处理、多相流模拟等方面取得了重要进展。例如，LBM被成功应用于模拟溃坝波与固定结构物(如圆柱或防波堤)的相互作用，以及水流和溃坝波与浮动结构物(如海啸漂浮物、船舶)的耦合响应。这些研究不仅验证了LBM在流体与结构物相互作用模拟中的有效性，也为海岸与海洋工程实践提供了重要的理论支持。

然而，尽管LBM在流体-结构物相互作用研究中展现出巨大潜力，但其在工程领域的应用仍面临一些挑战。首先，LBM在处理大尺度波浪模拟时，计算效率仍需进一步提升；其次，LBM在多相流、复杂边界条件及流固耦合问题中的理论模型和算法仍需进一步完善；最后，LBM在海岸与海洋工程实践中的标准化和推广仍需更多工程案例的验证和积累。这些问题的解决需要学术界和工程界的共同努力。

本书旨在系统介绍LBM在水动力-结构物相互作用中的理论基础、数值方法及其在海岸与海洋工程中的应用。全书分为三大部分：第1部分(第1章和第2章)介绍LBM的基本原理、发展历程及其在流体力学中的应用背景；第2部分(第3章和第4章部分章节)详细阐述LBM在波浪模拟中的数值方法，包括自由表面运动模拟、边界条件处理、造波消波方法等；第3部分(第4章~第6章)聚焦LBM在海洋动力-结构物相互作用中的具体应用，包括水流与桩柱、波浪与不可渗防波堤、波浪与可渗防波堤的相互作用。

本书的内容基于作者及其团队多年的研究成果，并受到国家自然科学基金重点项目、面上项目、科技部重点研发计划项目，以及其他省部级重点项目等资助，部分研究成果已发表于国际国内高水平期刊，并应用于实际海岸与海洋工程项目中。为便于读者理解，本书在理论推导中注重逻辑性和可读性，同时结合大量数值算例，帮助读者掌握LBM在水动力-结构物相互作用中的应用技巧。本书可作为高校海岸与海洋工程、流体力学及相关专业的高年级本科生、硕士和博士研究生的教材，同时也可作为从事海岸与海洋工程设计和研究的科研人员与工程师等参考用书。希望本书能够为读者提供系统的LBM知识体系和实用的数值模拟工具，推动LBM在海岸与海洋工程领域的广泛应用，为海岸与海洋工程设计施工与防灾提供理论支持和技术保障。

本书在撰写过程中得到了天津大学同事和学生的大力帮助与支持。特别感谢陈同庆副教授、丁磊副研究员、乔光全高工、周志博副研究员、谢琳博士、季超群博士、郑枫、李薪丰、黄伟勋、周嘉禾、杨幂、李征启、王高雄、李中岳、燕敬昌等对本书内容的宝贵建议和贡献。同时，感谢天津大学提供的科研平台和资源支持。最后，感谢家人的理解与陪伴，使作者能够专注于本书的撰写工作。

张金凤

天津大学

2025年3月