本書系統(tǒng)闡述了格子玻爾茲曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)在海岸工程中的應用,重點探討其在波浪、水流與復雜結構物相互作用中的理論基礎,數(shù)值實現(xiàn)及工程應用。全書內(nèi)容涵蓋LBM的基本理論、數(shù)值模型構建與驗證,以及其在二維和三維數(shù)值波浪水槽中的應用研究,主要關注數(shù)值水槽穩(wěn)定性、邊界條件適用性,復雜多相流模型開發(fā)等數(shù)值理論問題,成功構建了海岸與海洋工程領域中海洋動力與結構物相互作用數(shù)值模擬新工具。
本書內(nèi)容精煉,理論與實踐并重,既可作為海岸工程,海洋工程及相關領域研究人員的參考書,也可為從事數(shù)值模擬和工程設計的工程師提供理論支持和技術指導。
《格子玻爾茲曼方法在海岸工程中的應用》是一部系統(tǒng)介紹LBM（格子玻爾茲曼方法）在海洋與海岸工程領域創(chuàng)新應用的權威著作。本書深入剖析了LBM的理論基礎與數(shù)值實現(xiàn)，聚焦波浪、水流與復雜結構物相互作用的模擬難題，為海岸工程數(shù)值模擬提供了全新的研究范式。
全書以LBM數(shù)值模型構建為核心，詳細探討了二維/三維數(shù)值波浪水槽的開發(fā)、邊界條件優(yōu)化及多相流模型創(chuàng)新等關鍵技術問題，不僅解決了傳統(tǒng)模擬方法在復雜流固耦合問題中的局限性，更通過嚴謹?shù)尿炞C案例展示了其工程適用性。書中理論體系完整，算法與工程實踐緊密結合，既為研究者提供了先進的計算流體力學方法，也為工程師的數(shù)值模擬與設計優(yōu)化提供了可靠工具。
本書兼具學術深度與實踐價值，是海岸工程、海洋工程及計算流體力學領域?qū)W者、工程師和研究生的B備參考書，對推動我國海岸工程數(shù)值模擬技術的創(chuàng)新發(fā)展具有重要意義。
21世紀是海洋工程蓬勃發(fā)展的時代，隨著全球?qū)Ｑ筚Y源開發(fā)需求的日益增長，海洋動力與結構物相互作用的研究成為海洋工程領域的關鍵課題之一。波浪作為海洋環(huán)境中最主要的動力荷載之一，對海洋結構物的安全性和穩(wěn)定性具有重要影響。然而，波浪與結構物相互作用的復雜性使得傳統(tǒng)數(shù)值模擬方法在精度和效率上面臨諸多挑戰(zhàn)。近年來，格子玻爾茲曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)作為一種新興的數(shù)值模擬技術，憑借其高效性、并行性和對復雜邊界條件的適應性，逐漸成為研究流體-結構物相互作用的有力工具。
雖然傳統(tǒng)波浪模擬方法，如基于Navier-Stokes方程的有限元法或有限體積法，在流固耦合領域取得了顯著成果，但其計算成本高、邊界條件處理復雜等問題限制了其在復雜工程中的應用。相比之下，LBM基于介觀粒子動力學理論，通過簡化流體運動的描述，能夠高效地模擬復雜流場和多相流動現(xiàn)象。特別是在波浪與結構物相互作用的研究中，LBM能夠精確捕捉波浪的傳播、反射、繞射及結構物周圍的流場特征，為海洋工程設計和優(yōu)化提供了新的視角。
LBM在流體-結構物相互作用中的應用始于20世紀末，隨著計算能力的提升和算法的優(yōu)化，其應用范圍逐漸擴大。近年來，國內(nèi)外學者在LBM的數(shù)值格式、邊界條件處理、多相流模擬等方面取得了重要進展。例如，LBM被成功應用于模擬潰壩波與固定結構物(如圓柱或防波堤)的相互作用，以及水流和潰壩波與浮動結構物(如海嘯漂浮物、船舶)的耦合響應。這些研究不僅驗證了LBM在流體與結構物相互作用模擬中的有效性，也為海岸與海洋工程實踐提供了重要的理論支持。
然而，盡管LBM在流體-結構物相互作用研究中展現(xiàn)出巨大潛力，但其在工程領域的應用仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，LBM在處理大尺度波浪模擬時，計算效率仍需進一步提升；其次，LBM在多相流、復雜邊界條件及流固耦合問題中的理論模型和算法仍需進一步完善；最后，LBM在海岸與海洋工程實踐中的標準化和推廣仍需更多工程案例的驗證和積累。這些問題的解決需要學術界和工程界的共同努力。
本書旨在系統(tǒng)介紹LBM在水動力-結構物相互作用中的理論基礎、數(shù)值方法及其在海岸與海洋工程中的應用。全書分為三大部分：第1部分(第1章和第2章)介紹LBM的基本原理、發(fā)展歷程及其在流體力學中的應用背景；第2部分(第3章和第4章部分章節(jié))詳細闡述LBM在波浪模擬中的數(shù)值方法，包括自由表面運動模擬、邊界條件處理、造波消波方法等；第3部分(第4章~第6章)聚焦LBM在海洋動力-結構物相互作用中的具體應用，包括水流與樁柱、波浪與不可滲防波堤、波浪與可滲防波堤的相互作用。
本書的內(nèi)容基于作者及其團隊多年的研究成果，并受到國家自然科學基金重點項目、面上項目、科技部重點研發(fā)計劃項目，以及其他省部級重點項目等資助，部分研究成果已發(fā)表于國際國內(nèi)高水平期刊，并應用于實際海岸與海洋工程項目中。為便于讀者理解，本書在理論推導中注重邏輯性和可讀性，同時結合大量數(shù)值算例，幫助讀者掌握LBM在水動力-結構物相互作用中的應用技巧。本書可作為高校海岸與海洋工程、流體力學及相關專業(yè)的高年級本科生、碩士和博士研究生的教材，同時也可作為從事海岸與海洋工程設計和研究的科研人員與工程師等參考用書。希望本書能夠為讀者提供系統(tǒng)的LBM知識體系和實用的數(shù)值模擬工具，推動LBM在海岸與海洋工程領域的廣泛應用，為海岸與海洋工程設計施工與防災提供理論支持和技術保障。
本書在撰寫過程中得到了天津大學同事和學生的大力幫助與支持。特別感謝陳同慶副教授、丁磊副研究員、喬光全高工、周志博副研究員、謝琳博士、季超群博士、鄭楓、李薪豐、黃偉勛、周嘉禾、楊冪、李征啟、王高雄、李中岳、燕敬昌等對本書內(nèi)容的寶貴建議和貢獻。同時，感謝天津大學提供的科研平臺和資源支持。最后，感謝家人的理解與陪伴，使作者能夠?qū)Ｗ⒂诒緯淖珜懝ぷ鳌?br />張金鳳
天津大學
2025年3月
張金鳳：天津大學建筑工程學院教授，博士生導師，海岸工程領域權威專家。主要從事海岸動力過程、河口海岸泥沙運動機理及海洋災害數(shù)值模擬研究。創(chuàng)新性地建立了黏性泥沙絮凝過程的介觀尺度數(shù)值模擬方法，開創(chuàng)了細觀尺度研究黏性泥沙運動的新范式，推動了泥沙輸移理論的發(fā)展。主持國家高技術研究發(fā)展計劃（863計劃）、國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金聯(lián)合（重點）項目等國家級課題10余項。獲水運建設行業(yè)科技進步一等獎，出版專著3部，發(fā)表學術論文60余篇，其研究成果為海岸工程設計與災害防治提供了重要理論支撐。
劉光威：天津大學助理研究員，工學博士。專注于港航工程與海岸防災減災研究，在波浪-結構物相互作用數(shù)值模擬、珊瑚沙海岸保護技術等領域取得突出成果。參與國家重點研發(fā)計劃"橋隧與航道工程沖淤精準預測及其安全評估技術"、國家863計劃"海上風電場關鍵技術研究"等重大項目，以及國家自然科學基金重點國際合作項目"波浪作用下珊瑚沙運動的模擬方法及珊瑚沙海岸的保護措施研究"。在SCI期刊發(fā)表論文8篇，EI核心期刊論文2篇，其研究為海岸工程安全評估與防災減災提供了創(chuàng)新方法。
張慶河：天津大學教授，博士生導師，中國海洋學會海岸河口分會理事。長期致力于港口航道工程、海岸河口演變及海洋環(huán)境研究，在泥沙運動數(shù)值模擬、波浪-結構物-地基相互作用等領域成果豐碩。主持國家重點研發(fā)計劃子課題、國家863計劃子課題等重大項目，發(fā)表SCI論文100余篇，EI論文50余篇。曾獲國家科技進步二等獎、天津市科技進步二等獎等榮譽。其研發(fā)的橋隧與航道工程沖淤預測技術為重大海洋工程建設提供了關鍵技術支撐，在港口航道規(guī)劃設計與安全評估方面具有重要影響力。
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