ABSTRACT Free-surface flow problems occur in numerous disaster simulations, such as tsunami inland penetration in urban areas. Simulation models for these problems must be non-hydrostatic, three-dimensional and highly resolved because of the strong non-linearity and higher-order physical phenomena. However, three-dimensional large-scale tsunami simulations based on conventional computational fluid dynamics (CFD) solving the Navier-Stokes equations are challenging due to the pressure Poisson equation in incompressible Navier-Stokes fluid modeling. The lattice Boltzmann method (LBM) is an alternative simulation tool that is attracting attention as a fully explicit and efficient approach. The LBM does not have to iteratively solve the pressure Poisson equation and is therefore considered to have an advantage over other methods when executing high-performance three-dimensional tsunami simulations. In the current study, we developed a fully explicit free-surface model using the LBM in which the more advanced multiple-relaxation-time (MRT) collision model is used, along with the piecewise linear interface calculation (PLIC) approach. Through classic dam-break problems, we validated the appropriate parameter settings, including the weak compressibility, for tsunami simulations. The benchmark tests showed that our model accurately simulates the three-dimensional dam-break flows and controls the compressibility drop in the second-order value of the Mach number.

中文翻译：

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三维自由表面流动的 MRT-LBM 验证：对溃坝基准中弱可压缩性的调查

摘要 自由表面流动问题出现在许多灾害模拟中，例如海啸内陆渗透到城市地区。由于强非线性和高阶物理现象，这些问题的仿真模型必须是非流体静力的、三维的和高度解析的。然而，由于不可压缩 Navier-Stokes 流体建模中的压力泊松方程，基于传统计算流体动力学 (CFD) 求解 Navier-Stokes 方程的三维大规模海啸模拟具有挑战性。格子 Boltzmann 方法 (LBM) 是一种替代模拟工具，作为一种完全明确和有效的方法引起了人们的注意。LBM 不必迭代求解压力泊松方程，因此在执行高性能三维海啸模拟时被认为比其他方法具有优势。在当前的研究中，我们使用 LBM 开发了一个完全显式的自由表面模型，其中使用了更先进的多松弛时间 (MRT) 碰撞模型以及分段线性界面计算 (PLIC) 方法。通过经典的溃坝问题，我们为海啸模拟验证了适当的参数设置，包括弱压缩性。基准测试表明，我们的模型准确地模拟了三维溃坝流，并控制了马赫数二阶值的压缩率下降。我们使用 LBM 开发了一个完全显式的自由表面模型，其中使用了更先进的多松弛时间 (MRT) 碰撞模型以及分段线性界面计算 (PLIC) 方法。通过经典的溃坝问题，我们为海啸模拟验证了适当的参数设置，包括弱压缩性。基准测试表明，我们的模型准确地模拟了三维溃坝流，并控制了马赫数二阶值的压缩率下降。我们使用 LBM 开发了一个完全显式的自由表面模型，其中使用了更先进的多松弛时间 (MRT) 碰撞模型以及分段线性界面计算 (PLIC) 方法。通过经典的溃坝问题，我们为海啸模拟验证了适当的参数设置，包括弱压缩性。基准测试表明，我们的模型准确地模拟了三维溃坝流，并控制了马赫数二阶值的压缩率下降。包括弱可压缩性，用于海啸模拟。基准测试表明，我们的模型准确地模拟了三维溃坝流，并控制了马赫数二阶值的压缩率下降。包括弱可压缩性，用于海啸模拟。基准测试表明，我们的模型准确地模拟了三维溃坝流，并控制了马赫数二阶值的压缩率下降。