基于质量源造波法的阶梯式海堤波浪爬高研究

摘要

随着社会的发展，人们对海岸景观的要求越来越高，在要求尽可能地降低海堤堤顶高度的同时，也希望海堤在设计上趋向于具有亲水性缓坡型式，藉此提高海洋对游人的亲和力。然而降低堤顶的高度会使波浪溯升产生越浪的现象，所以有必要采取一定的消浪措施来减小波浪爬高，从而降低海堤高度。阶梯式海堤作为斜坡堤的一种特殊结构型式，具有较好的消浪效果，其设计上多为亲水性缓坡型式，这种型式能够满足亲水性海岸休闲空间的规划需求，符合人们日益提升的景观环保意识。目前，虽然在沿海地区已经建立有不少的的阶梯式海堤，但对其波浪爬高规律的研究还较少。基于此，本文首次将质量源造波方法应用到阶梯式海堤波浪爬高研究中，完成了以下几个方面的研究工作:
　　首先，介绍了海堤的作用、研究阶梯式海堤波浪爬高的重要性以及国内外近些年来对海堤波浪爬高这一热点问题的研究进展。在此前提下，基于Stokes波质量源函数，采用计算流体动力学软件FLUENT，通过其接口UDF，利用C语言程序对二阶Stokes波质量源函数表达式进行编译，在数值分析中实现了质量源造波以及多孔介质消波。经过验证，本文基于质量源造波方法与阻尼消波法结合建立的二维波浪水槽能够保证数值水槽工作区的波浪场质量，而且波形平稳，重复性比较好，可以保证长历时波长稳定。
　　在此基础上，建立与物理模型试验相似的数值波浪水槽模型模拟了阶梯式海堤的波浪爬高过程，通过将模拟爬高值与物理试验所得的爬高值对比，验证了依据质量源造波方法建立的数值波浪水槽模拟阶梯式海堤爬高的可行性和合理性。
　　最后，对不同工况以及不同阶梯式海堤结构方案下的波浪爬高进行了数值模拟研究，系统分析了堤前水深、海堤坡度、台阶高度以及来波波坦这些因素对阶梯式海堤波浪爬高的影响规律。研究结果表明:(1)在本文选取的堤前水深范围内，在各种外坡坡度情况下，阶梯式海堤波浪爬高R均随着海堤堤前水深d的增加而逐渐减少，而且基本是呈线性变化的。当堤前水深与波坦的比值d/L=0.133～0.6时，波浪爬高是随着d/L的增加而减少的;且当d/L=0.133～0.3时，d/L对波浪爬高R影响比较强烈，而当d/L＞0.3时，d/L对波浪爬高R的影响有所减弱。(2)与平面式海堤一样，阶梯式海堤波浪爬高随着坡度的变缓同样呈现先增大后减小的变化趋势。但是，相对于平面式海堤来说，阶梯式海堤的波浪爬高峰值出现在坡度较陡时。而且阶梯式海堤波浪爬高相对平面斜坡式海堤而言具有明显的折减效果，但是随着海堤坡度的变缓，折减效果有减弱的趋势。(3)在同一海堤外坡坡度、波坦的条件下，海堤波浪爬高随着海堤台阶高度增大有先减少后增大的趋势。(4)当海堤坡度较陡、堤前出现立波形态时，波浪爬高值随着波坦的增大而减小;随着海堤坡度变缓、堤前出现激波、卷波形态时，波浪爬高值随着波坦的增大而增大。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 阶梯式海堤概述

1．2 海堤波浪爬高的研究现状

1．3 数值波浪水槽的研究现状

1．4 本文的研究内容及总体思路

第2章 波浪水槽数值模拟基本理论

2．1 前言

2．2 水波运动的数学模型

2．2．1 不可压缩无粘性流体运动的基本方程组

2．2．2 不可压缩粘性流体运动的基本方程组

2．2．3 水波运动的势流理论

2．2．4 水波理论的边界条件

2．2．5 水波理论的初始条件

2．3 水波的分类和相应的波浪理论

2．4 湍流模型

2．4．1 雷诺平均N-S方程组(RANS)的模型

2．4．2 RNG κ-ε模型湍流模型

2．5 自由表面追踪方法—-VOF方法

2．4．1 VOF方法概述

2．4．2 F函数

2．4．3 VOF方法在FLUENT软件中的求解原理

2．6 求解方法

2．6 用户自定义函数概述

2．7 FLUENT求解流动问题的步骤

2．8 小结

第3章 数值波浪水槽的建立与验证

3．1 前言

3．2 源造波理论

3．2．1 控制方程

3．2．2 质量源项表达式

3．2．3 消波段处理

3．3 利用源造波法生成二阶Stokes波

3．3．1 波浪水槽数值模型的建立

3．3．2 波浪水槽数值模型网格划分

3．3．3 计算参数的设置

3．3．4 造波源的位置确定

3．4 数值波浪水槽的模拟结果分析

3．4．1 造波区域顶端到自由水面的距离e对所要造波的波形的影响分析

3．4．2 质量源造波方法的可行性验证

3．5 阶梯式海堤爬高的数值模型可行性验证

3．5．1 模型的建立

3．5．2 网格的划分

3．5．3 计算参数的设置

3．5．4 数值结果分析

3．6 小结

第4章 阶梯式海堤爬高的特性研究

4．1 前言

4．2 研究方案的选取

4．2．1 波浪要素的选取

4．2．2 阶梯式海堤数值模型设计参数选取

4．3 阶梯式海堤爬高数值模拟

4．3．1 阶梯式海堤与波浪作用的数值模型水槽的建立

4．3．2 阶梯式海堤与波浪作用的数值模型水槽网格划分

4．3．3 计算参数的设置

4．4 阶梯式海堤爬高数值模拟结果分析

4．4．1 堤前水深对阶梯式海堤波浪爬高的影响

4．4．2 海堤外坡坡度对波浪爬高的影响

4．4．3 阶梯式海堤台阶高度对爬高的影响

4．4．4 波坦对阶梯式海堤波浪爬高的影响

4．5 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

附录

致谢

攻读硕士期间所发表的学术论文