岛礁珊瑚砂在水流中的拖曳力模型研究与数值模拟分析
项目概况
- 项目级别：校级
- 项目成员：张皓钦、刘明靖
- 指导教师：赖正首、黄林冲
- 项目周期：2024.01 - 2024.12
研究背景与意义
岛礁珊瑚砂是南海岛礁建设的重要建筑材料，其在水流作用下的水动力特性直接影响岛礁工程的稳定性。拖曳力作为颗粒-流体相互作用的核心参数，准确预测珊瑚砂颗粒的拖曳力对于理解其在波浪、水流作用下的迁移规律具有重要意义。
珊瑚砂颗粒具有形态不规则、内部孔隙发育等特点，传统的球形颗粒拖曳力公式难以准确描述其水动力行为。本项目采用计算流体力学-离散元耦合方法（CFD-DEM），结合球谐函数虚拟颗粒生成技术，建立考虑颗粒形态特征的拖曳力预测模型。
真实形态珊瑚砂颗粒CFD-DEM沉降模拟概念示意图（ClaudeBot生成）
研究内容
规则颗粒沉降验证
- 建立椭球体、圆柱体等规则颗粒的CFD-DEM沉降模型
- 验证数值方法在标准工况下的准确性
- 分析长宽比、扁平度等形态参数对拖曳力的影响规律
真实珊瑚砂颗粒数值模拟
- 基于球谐系数重构真实形态珊瑚砂颗粒
- 进行单颗粒沉降数值试验，获取速度-拖曳力关系
- 分析颗粒表面粗糙度、孔隙分布对水动力响应的影响
形态-拖曳力相关性分析
- 提取颗粒几何形态特征参数（球度、凸度、长宽比等）
- 建立形态参数与拖曳力系数的统计关系
- 开发适用于珊瑚砂的拖曳力预测公式
技术路线
- 数值方法：CFD-DEM耦合（OpenFOAM + 自主DEM程序）
- 颗粒建模：球谐函数重构真实颗粒形态
- 后处理：Python/MATLAB数据分析
- 验证手段：室内沉降试验对比
创新点
- 真实形态颗粒CFD-DEM模拟：突破传统球形颗粒假设，实现不规则形态珊瑚砂的高保真数值模拟
- 球谐函数颗粒生成：基于随机场理论生成统计意义上的虚拟珊瑚砂颗粒
- 形态-力学关联：建立可量化的形态参数与拖曳力之间的关系模型
预期成果
- 建立珊瑚砂颗粒CFD-DEM沉降分析流程
- 形成形态参数与拖曳力的关联模型
- 发表相关学术论文或会议报告
项目成果
- 完成规则颗粒与真实珊瑚砂颗粒的数值模拟
- 验证CFD-DEM方法在珊瑚砂水动力分析中的适用性
- 为岛礁工程珊瑚砂迁移预测提供理论基础
项目展示
本项目为2024年校级大学生创新创业训练计划项目，是「南海钙质砂拖曳力的数值模拟与实验模拟」（2023年大创）的延续项目。