21世紀(jì)是海洋工程蓬勃發(fā)展的時(shí)代，隨著全球?qū)�海洋資源開發(fā)需求的日益增長(zhǎng)，海洋動(dòng)力與結(jié)構(gòu)物相互作用的研究成為海洋工程領(lǐng)域的關(guān)鍵課題之一。波浪作為海洋環(huán)境中最主要的動(dòng)力荷載之一，對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物的安全性和穩(wěn)定性具有重要影響。然而，波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用的復(fù)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(shù)，憑借其高效性、并行性和對(duì)復(fù)雜邊界條件的適應(yīng)性，逐漸成為研究流體-結(jié)構(gòu)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(lǐng)域取得了顯著成果，但其計(jì)算成本高、邊界條件處理復(fù)雜等問題限制了其在復(fù)雜工程中的應(yīng)用。相比之下，LBM基于介觀粒子動(dòng)力學(xué)理論，通過簡(jiǎn)化流體運(yùn)動(dòng)的描述，能夠高效地模擬復(fù)雜流場(chǎng)和多相流動(dòng)現(xiàn)象。特別是在波浪與結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)物周圍的流場(chǎng)特征，為海洋工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了新的視角。
LBM在流體-結(jié)構(gòu)物相互作用中的應(yīng)用始于20世紀(jì)末，隨著計(jì)算能力的提升和算法的優(yōu)化，其應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)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(jìn)展。例如，LBM被成功應(yīng)用于模擬潰壩波與固定結(jié)構(gòu)物(如圓柱或防波堤)的相互作用，以及水流和潰壩波與浮動(dòng)結(jié)構(gòu)物(如海嘯漂浮物、船舶)的耦合響應(yīng)。這些研究不僅驗(yàn)證了LBM在流體與結(jié)構(gòu)物相互作用模擬中的有效性，也為海岸與海洋工程實(shí)踐提供了重要的理論支持。
然而，盡管LBM在流體-結(jié)構(gòu)物相互作用研究中展現(xiàn)出巨大潛力，但其在工程領(lǐng)域的應(yīng)用仍面臨一些挑戰(zhàn)。首先，LBM在處理大尺度波浪模擬時(shí)，計(jì)算效率仍需進(jìn)一步提升；其次，LBM在多相流、復(fù)雜邊界條件及流固耦合問題中的理論模型和算法仍需進(jìn)一步完善；最后，LBM在海岸與海洋工程實(shí)踐中的標(biāo)準(zhǔn)化和推廣仍需更多工程案例的驗(yàn)證和積累。這些問題的解決需要學(xué)術(shù)界和工程界的共同努力。
本書旨在系統(tǒng)介紹LBM在水動(dòng)力-結(jié)構(gòu)物相互作用中的理論基礎(chǔ)、數(shù)值方法及其在海岸與海洋工程中的應(yīng)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(xué)中的應(yīng)用背景；第2部分(第3章和第4章部分章節(jié))詳細(xì)闡述LBM在波浪模擬中的數(shù)值方法，包括自由表面運(yùn)動(dòng)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(dòng)力-結(jié)構(gòu)物相互作用中的具體應(yīng)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(tuán)隊(duì)多年的研究成果，并受到國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目，以及其他省部級(jí)重點(diǎn)項(xiàng)目等資助，部分研究成果已發(fā)表于國(guó)際國(guó)內(nèi)高水平期刊，并應(yīng)用于實(shí)際海岸與海洋工程項(xiàng)目中。為便于讀者理解，本書在理論推導(dǎo)中注重邏輯性和可讀性，同時(shí)結(jié)合大量數(shù)值算例，幫助讀者掌握LBM在水動(dòng)力-結(jié)構(gòu)物相互作用中的應(yīng)用技巧。本書可作為高校海岸與海洋工程、流體力學(xué)及相關(guān)專業(yè)的高年級(jí)本科生、碩士和博士研究生的教材，同時(shí)也可作為從事海岸與海洋工程設(shè)計(jì)和研究的科研人員與工程師等參考用書。希望本書能夠?yàn)樽x者提供系統(tǒng)的LBM知識(shí)體系和實(shí)用的數(shù)值模擬工具，推動(dòng)LBM在海岸與海洋工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，為海岸與海洋工程設(shè)計(jì)施工與防災(zāi)提供理論支持和技術(shù)保障。
本書在撰寫過程中得到了天津大學(xué)同事和學(xué)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(duì)本書內(nèi)容的寶貴建議和貢獻(xiàn)。同時(shí)，感謝天津大學(xué)提供的科研平臺(tái)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�的撰寫工作�?br />張金鳳
天津大學(xué)
2025年3月