2022年6月期刊俱乐部:沿海灾害局部尺度建模的计算力学

2016年，我们的同事(Ahmad Elbanna教授)讨论了一个这样的极端事件(即，地震和相关的破裂物理学)．在这篇期刊文章中，我将重点介绍另外两个极端事件，即海啸和风暴潮，以及解决这些沿海灾害的一些建模工作。虽然这两个事件都有其与事件物理相关的特征，但类似的建模工具和技术已被用于解决这两种危险。这个问题最大的挑战之一是它涉及多学科，包括工程师、数学家、地球物理学家、环境机构、经济学家，甚至是市议会的行政人员。

背景

沿海地区仍然是地球上最活跃的地区之一。它包括距离海岸100公里范围内超过25%的世界人口，而大约10%的人生活在平均海平面以下。此外，这里还是珊瑚礁、红树林、海滩等多种动植物的家园。根据美国人口普查局的数据，约29%的美国人口居住在沿海县，其中大西洋县约4100万，太平洋县约3200万。相比之下，在20世纪60年代，只有大约4700万人居住在沿海县。这相当于在过去60年里增加了2500多万人口。

图1:大西洋城1912年w.r.t平均海平面(单位:英寸)

让我们考虑两个例子:(a)新泽西海岸和(b)太平洋西北部。新泽西州海岸覆盖了1792英里的海岸线，该州有17/21个县。这里的人口约占该州人口的80%，年经济产出约4000亿美元。在过去40年里，海平面的变化和飓风活动的增加显著增加了海岸遭受风暴潮的风险;如图01所示，大西洋城的平均海平面自1912年以来变化了近16英寸，自1980年以来变化了6英寸。从2005年到2014年，共发生了235次洪水，其中70%是人为造成的。

虽然鲨鱼死亡人数确实比海啸死亡人数多，但这是一个不正确的比较指标。海啸是一种突发且影响深远的事件，持续威胁着世界各地沿海社区的生计。通常情况下，地震引发了大多数海啸。如图02所示，NOAA估计地震引发了大约81%的海啸。特别需要指出的是，大多数海啸被认为局限于太平洋区域。然而，也有必要记住，山体滑坡等其他事件在世界其他地区引发了许多特大海啸。多年来，有一些人接受了这样一种理论，即超级海啸是可能发生的，但很可能是局部事件，在到达海岸时将减弱为普通海啸。

图2:海啸事件的来源和机制分类(来源:国家海洋和大气管理局关于海啸的报告）

现在比以往任何时候都更重要的是考虑沿海地区的抵御能力，并投资于这些努力。更重要的是为多种危险场景做好准备。尽管按照设想，未来减少全球排放可以减少这些危害，但这要到下个世纪下半叶才能实现，而且仅凭这一点是不够的。因此，有必要更好地为脆弱的沿海社区做好洪水和风暴破坏的准备。

原因和时间表

虽然海啸和风暴潮是到达岸上的水墙，造成巨大的破坏，但简要地介绍一下它们的区别也是有意义的。虽然两者受到不同的动力驱动，但它们都是长长的重力水波，在到达浅水海岸时被放大。到目前为止，海啸的发生要比风暴潮少得多。海啸通常是由地震事件引起的，通常在几小时内到达数千英里外。在印度洋上航行3-4小时，横跨太平洋估计需要8-10个小时。在过去十年中，开发了一个早期监测技术网络，用于海啸预报。正在运行的主要有:

• 太平洋海啸预警中心(PTWC)由美国国家海洋和大气管理局(NOAA)在夏威夷的Ewa海滩运营，负责太平洋地区的警报
• 位于阿拉斯加州帕尔默的国家海啸预警中心(NWTC)对北美地区发出警报
• 印度洋海啸预警系统(IOTWMS)，为印度洋地区的国家提供预警
• 东北大西洋、地中海及相连海域(NEAMTWS)监测大西洋地区

尽管有这些早期预警系统，但时间不足以考虑全面疏散城市和村庄。因此，大型垂直结构在最近被吹捧为潜在的疏散结构。作为水平疏散的替代方案，垂直疏散可能是可行的。然而，正如经常发生的那样，海啸波浪会侵蚀地基，造成评分效应(Tonkin et al.(2003)和rounund et al.(2005))，导致结构倒塌。这使得更有必要考虑局部尺度建模，以更好地理解这些波结构相互作用。

此外，这种监测和学习可能与经常由地震或其他原因引起的山体滑坡等引起的当地特大海啸没有直接关系。例如，如下图03所示，它是有记录以来产生的最大波浪之一。这次大海啸是由Lituya湾(美国阿拉斯加州)的地震引发的滑坡引起的。记录的地震震级为7.8 - 8.3级，产生的海浪高度超过500米(即1700+英尺)。此外，Elbanna等人(2021)最近的工作讨论了走滑断层产生毁灭性海啸的意外风险。

图03:1958年阿拉斯加利图亚湾的大海啸。岸边较浅的阴影显示出被冲毁的树木;黄色箭头表示最高波的位置;红色箭头显示滑坡点(图片来源:D.J. Miller，美国地质调查局- USGS，公共领域，https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=72308974）

与海啸相比，风暴潮事件可以根据飓风登陆路径的预测提前几天进行合理预测。因此，这通常提供了足够的时间来疏散可能发生洪水的地区的居民。然而，毁灭性的影响更经常发生，导致每年巨大的经济损失。最近袭击路易斯安那州的飓风艾达就是这类事件性质的一个很好的例子。工程师们记录了由风暴潮引起的密西西比河水流的逆转。这种逆转并非史无前例，但在2005年的卡特里娜飓风和2012年的伊萨克飓风期间也发生过。

局部尺度力学

本文主要感兴趣的主题是局部尺度建模的讨论。海岸灾害的局部尺度表征是一个多维度的问题，包括对波浪荷载、岩屑荷载、海岸侵蚀、泥沙沉积等的结构响应。

区域范围内

有必要简要讨论区域尺度的事件努力，以彻底理解这个问题，以及它如何与当地尺度的建模有关。近年来，浅水求解器被广泛用于解决与洪水泛滥和洪水流速相关的区域问题。特别是，GeoClaw和AdCirc在美国得到了广泛应用。其他常用的求解器包括Delft3D和SLOSH (Jelesnianski, Chen和Shaffer, 1992)。这些工具可以捕捉波在整个海洋盆地的传播，如太平洋和大西洋。它们为洪水泛滥和速度提供了可接受的测量方法。当这些工具评估水位(或浪涌)的增加时，风暴进一步包括高频局部波浪效应。因此，频谱波模型以单向或全耦合的方式与这些求解器一起使用。最常见的模式之一包括模拟波浪近岸(SWAN)模型，该模型在频率和方向上求解波浪谱密度(Zijlema, 2010)。

建模工具和技术

有几种工具和技术可用于处理本地规模事件。一个这样的例子是Harish和McKenna(2021)和Deierlein等人(2020)的工作，即工具Hydro-UQ．Hydro-UQ是由美国国家科学基金会(NSF)资助开发的众多工具之一自然灾害工程研究基础设施计算建模与仿真中心(SimCenter)在加州大学伯克利分校。NHERI模拟中心最近发布了一份关于自然灾害工程计算建模的广泛的最新报告(Zsarnoczay和Deierlein(2021))，其中包括来自美国各地不同教师的贡献。此外，McKenna等人最近在icacm Expressions(2022)中发表了关于NHERI SimCenter工具的简要讨论。

无花果04:模块化SimCenter框架(来源:NHERI SimCenter (Deierlein et al.， 2020))

在讨论Hydro-UQ本身之前，有必要了解NHERI模拟中心在过去五年里开发的整体框架，这些框架由不同的教师和博士后贡献。Hydro-UQ利用了在NHERI SimCenter创建的模块化应用框架，如图04所示。应用程序框架提供了开发区域和本地规模模型的流程，并将它们连接起来，以实现损害损失估计和计算潜在的灾后恢复。计算力学本身嵌入在危险描述和模型资产&事件中。图05进一步阐述了这一点，描绘了NHERI SimCenter开发的框架。

图5:SimCenter框架组件和应用程序(来源:NHERI SimCenter (Deierlein et al.， 2020))

如图05所示，SimCenter工作流提供了一个层次结构框架，它严格地促进了不确定性量化(UQ)的使用。UQ发动机包括Dakota (Adams, 2019)， UQPy (Olivier等人，2020)和SimCenter的发动机(McKenna等人，2022b)。通过使用Agave API，简单的图形用户界面可以方便地使用nsf资助的德克萨斯高级计算中心(TACC)的Stampede2和Frontera集群上的高性能计算(HPC)资源。Agave API本身是一个开源API，也可以重新配置，以便在本地HPC集群上使用。

本文直接感兴趣的工具只是图05中我开发的框架的一部分，即Hydro-UQ。Hydro-UQ提供了浅水求解器(GeoClaw (Berger et al.(2011)和LeVeque, George and Berger(2011))，三维计算流体力学求解器(OpenFOAM (openfoam.org, n.d))和三维有限元求解器(OpenSees (McKenna, Scott and Fenves, 2010)之间的无缝单向耦合。如图04所示，这些不同的解算器是拼图的一部分，可以很容易地与其他解算器互换。例如，将浅水求解器从GeoClaw更改为AdCirc或ShallowWaterFoam将需要一个解释器脚本，该脚本与GeoClaw提供的代码相同。

图6:在局部尺度建模中感兴趣的一般问题

考虑一个感兴趣的问题，如图06所示。这里，红线代表断层(海啸时)或低压区(风暴潮时)。大区域尺度的波浪传播问题可以使用GeoClaw / AdCirc等浅水求解器进行评估。目前，Hydro-UQ支持与GeoClaw的耦合，但未来还会有更多的设想。橙色的建筑代表我们感兴趣的建筑/结构，而较大的黄色方框代表我们进行局部CFD分析的领域。

浅水求解器的预计算解被用作三维CFD求解器的边界条件。这里需要注意的是，这是单向耦合。因此，CFD域需要足够大，以防止反射导致边界处的非物理流体积聚。接下来，将三维CFD解计算出的压力应用于考虑进行有限元分析的结构模型。在这里，值得注意的是FEA与UQ引擎耦合在一起。在这里，随机变量可以在几何或材料属性中定义，而即将推出的版本也将有助于考虑边界条件中的不确定性。

图7:Hydro-UQ中的波浪水槽数字孪生

Hydro-UQ的一个特别方面是波浪水槽数字双胞胎。数字双胞胎复制了波浪水槽实验，并基于俄勒冈州立大学O. H. Hinsdale波浪研究实验室的大型波浪水槽设施。这个水槽是北美最大的水槽之一。数字双胞胎允许用户设置模拟和直接导入实验参数使用。即将到来的版本还设想通过激光雷达扫描直接支持几何导入。

无花果08:通过浅水(GeoClaw)和3D CFD求解器(OpenFOAM)的单向耦合实现区域和局部尺度模拟

图08显示了一个与Hydro-UQ耦合可行的例子。这个例子考虑了阿拉斯加断层7.8级地震的预计算GeoClaw解决方案。将得到的深度平均速度转换为OpenFOAM模型的三维速度边界条件。对于OpenFOAM模型，考虑了一小块类似水槽的沿海区域进行分析。进一步，三维CFD模拟的压力被用于获得OpenSees模型的层力。Hydro-UQ提供工程设计参数(EDPs)作为输出。edp可以包括峰值底板位移、峰值底板加速度等。此外，用户还可以定义他们感兴趣的edp。

近年来，波-结构相互作用问题引起了人们的极大兴趣。其他工具，如OlaFlow (Higuera, 2017)和Reef3D (Kamath等人，2015)，已经可以很容易地建立波结构模拟，使用有限体积方法量化结构上的载荷。此外，平滑粒子流体动力学(SPH)和dualspphysics (Domínguez等人，2021)等替代无网格方法提供了在cpu和gpu上运行的高性能计算方法。除此之外，还有类似Precice (Bungartz et al.， 2016)这样的接口，可以帮助配对来自不同领域的工具，并无缝运行它们。

用于比较的数据集

继续艾玛之前的杂志文章而关于策展数据集的讨论，如果我们无法找到数据集进行比较和验证所开发的计算模型和工具，则将被视为不完整。

其中，NHERI DesignSafe (https://www.designsafe-ci.org)为自然灾害研究人员提供了一个易于使用和无缝的开源数据共享存储库。的DesignSafe数据存储库为实验、模拟、现场研究等方面的共享数据提供了一个简单的分类器。如果读者能够分享其他可供社区不受限制地使用的数据集资源，以进行验证和验证，我将非常高兴。

挑战与展望

沿海灾害问题是一个独特的多学科挑战，计算力学可以用来提高沿海的恢复力。有必要以整体方式在固体、流体和颗粒力学之间建立桥梁。这篇期刊文章中提出的问题只是冰山一角，而全面的讨论可以在SimCenter报告中找到，该报告汇编了全面的概述(Zsarnoczay和Deierlein, 2021)。从计算力学的观点来看，可以解决的一些开放问题包括:

波浪上升和中断效果

许多浪涌模型没有模拟海浪的影响，而往往只模拟了海拔的增加。这些波的影响，包括断裂效应等，对于预测结构损失是必不可少的。然而，这些都需要近岸的精细分辨率，而且计算成本非常高。

大变形流体-结构-断裂相互作用

最直接的问题是，考虑湍流模型，能够完全耦合结构大变形流固相互作用的工具和方法屈指可数。许多最先进的耦合工具，如Precice (Bungartz et al.， 2016)，提供了一种将不同领域的开发结合在一起的简单方法。然而，即使是这些工具，当耦合固体和流体求解器时，也只能支持小变形。此外，许多可以进行大变形的代码库通常仅限于层流。

泥石流

考虑碎片和漂浮物及其与波浪和结构的相互作用是一个复杂的问题。此外，关于碎片的类型及其大小和形状的分布还不确定。通常，研究人员对高影响事件感兴趣，比如船舶或港口集装箱的影响。这些大型物体所携带的动量可能会造成重大的破坏和破坏。进一步，这些碎片经常会破裂，导致比预期更广泛的破坏。

多尺度模型

问题包括:

• 各种层次的抽象，从细观和微观尺度的混凝土结构开始。
• 宏观结构，比如钢框架。
• 局部尺度模型，比如波与1-3栋建筑的相互作用。
• 一个街区或社区对一个城市的区域性破坏。

总体而言，损伤-损失指数和恢复参数在区域尺度上进行评估，而材料和结构在微观和中尺度上失效。正如在波浪水槽实验中所做的那样，这是一个独特的机会来了解波浪的影响和导致结构中的破坏机制。

湍流和冲刷

最近的论文继续比较湍流模型(如k-omega, k-omega SST等)对结构上测量的载荷的影响。这是一个独特的机会来了解基础周围的湍流及其对冲刷和结构稳定性的影响。过去已经有几篇论文，但需要在流体和固体社区进行更多的合作，以将这些与结构破坏联系起来。

沉积与海岸侵蚀

除了生命和财产损失外，与这些灾害事件有关的最重要问题之一仍然是海岸侵蚀和土地和自然栖息地的丧失。虽然进行了波浪水槽实验以了解沉积物的运输和沉降(Holzenthal, Wengrove和Hill, 2022)，但这些问题对我们现有的计算工具构成了挑战。

不确定性量化

大多数情况下，危险事件中存在重大的不确定性。这些不确定性包括初始地震(或起始)活动的位置、波速、水中的碎片，甚至结构中所用材料的微观和中尺度特性。这些未知因素需要仔细分析，以了解重要性的特点。在结构方面，通过将系统近似为棒状模型，灵敏度分析很容易实现。然而，大多数流体模拟至少要慢一个数量级，并且使捕捉这些不确定性变得更加困难。

机器学习的应用

最近的危险事件导致了无人机监控视频和照片方面的大型数据集。虽然手动解析它们是不可实现的，但机器学习(ML)提供了一个独特的机会，可以更好地理解这些极端事件中的不确定性。此外，这些ML模型可以帮助量化敏感参数，以便更好地集中精力开发计算力学算法。

社区间交流

最大的挑战仍然是，这个多学科的问题需要更协调一致的努力。工程师、计算力学家、地球物理学家等之间需要更多的交流，以合作解决这个问题。万博体育平台

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