波浪作用下建筑物附近水体掺气特性研究

摘要

波浪由外海传播到海岸附近，在地形和建筑物的影响下，波浪将发生与建筑物的相互作用。同时波浪与建筑相互作用引起水流强烈的紊动和翻滚，伴随着大量空气的卷入，形成大量气泡。波浪与建筑物作用后大量能量的耗散，掺气后可能对建筑物的损害加重，对工程实践及环境问题有一定的影响。因此，研究浪作用下建筑物附近掺气特性对于解决近岸区域的工程实践问题和环境问题有十分重要的现实意义。 本研究通过开展大量水槽实验探讨波浪作用下近岸建筑物附近掺气的特性，采用光滑斜坡定床模型概化近岸地形及建筑物，以规则波和孤立波作为入射波，研究建筑物附近气泡的产生、演变以及输运过程，分析规则波作用下气泡的大小、数量及空隙率的分布，探求气泡的分布、输运特性。同时基于OpenFOAM开源代码建立了三维精细水动力数学模型，开展相应的数值模拟研究，在模型验证的基础上，运用数值模型探讨了波浪作用下建筑物附近气泡的演化，分析了建筑物附近流速、涡量、湍流动能分布的特点及其与气泡演化的联系，结果表明: 规则波作用下建筑物附近气泡粒径遵从p∝da分布，气泡的弦长d与概率密度p之间存在明显的幂指数关系。随着气泡粒径的增大气泡概率密度呈e指数衰减。以Hinze特征尺度为分界，气泡粒径分布遵循不同的分布规律，当气泡尺度大于Hinze特征尺度时，气泡容易受到湍流和剪切流的影响而发生破裂，小于该尺度的气泡则由于表面张力而保持相对稳定，本实验Hinze特征尺度约为2mm。涡结构与气泡演化之间存在复杂的相互作用，气腔在剪切流中的演化经历了气腔的破碎、融合及溢出水面等过程。时间平均空隙率和时间平均湍流动能具有线性关系，同时湍流动能与气泡数显示线性关系。 对于孤立波作用下建筑物附近气泡的演化情况，建筑物上方的气泡云一般要经历气泡云初生、发展、消散三个阶段。建筑物上方漩涡从生成到消散也分成三个阶段，漩涡生成阶段与气泡云初生阶段在空间和时间上完全吻合，漩涡的生成催生了气泡云的出现，漩涡的发展阶段与气泡云发展阶段基本吻合，说明涡核对气泡云的收聚及分离涡对气泡云的分裂起到至关重要的作用。建筑物顶部气泡云的直径分别与其附近压力及湍流动能成线性关系，湍流能越大气泡云直径越大，负压越大气泡云直径越大。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1研究背景及意义

1．2国内外研究现状

1．2．1理论研究及现场观测

1．2．2实验研究

1．2．3数值模拟

1．3本文的主要工作

第二章研究方法与数值模型验证

2．1引言

2．2物理实验概述

2．2．1实验仪器与设备

2．2．2实验仪器重复性验证

2．2．3实验准备工作

2．2．4实验内容

2．3数值模型

2．3．1概述

2．3．2控制方程

2．3．3体积分数输运方程

2．3．4紊流模型

2．3．5边界条件

2．4数值模型验证

2．4．1模型设置

2．4．2模型验证

2．5本章小结

第三章规则波作用下建筑物附近气泡产生过程及分布

3．1引言

3．2规则波作用下建筑物附近气泡卷入过程

3．3规则波作用下气泡粒径分布

3．3．1气泡粒径的分布规律

3．3．2气泡粒径的垂向分布规律

3．3．3气泡粒径的水平分布规律

3．3．4波高对气泡粒径分布的影响

3．4规则波作用下气泡数量的分布

3．4．1气泡数量的垂向与水平分布规律

3．4．2波高对气泡数量分布的影响

3．5规则波作用下空隙率的分布

3．5．1光纤探针信号的处理过程分析

3．5．2空隙率的垂直水平分布规律

3．5．3波高对空隙率分布的影响

3．6数值结果与分析

3．6．1建筑物附近流速分布

3．6．2建筑物附近涡量分布

3．6．3建筑物附近湍流动能分布

3．6．4建筑物附近局部气泡的演化过程分析

3．6．5建筑物附近湍流能与空隙率的关系

3．7本章小结

第四章孤立波作用下建筑物附近气泡演化过程及分布

4．1引言

4．2孤立波作用下建筑物附近气泡演化过程

4．2．1建筑物附近典型气泡演化过程

4．2．2建筑物顶部气泡云大小分布规律

4．3数值结果与分析

4．3．1建筑物附近流速及涡量分布

4．3．2建筑物附近湍流动能分布

4．3．3建筑物附近压强分布

4．3．4建筑物顶部气泡云与水动力特性关系

4．4本章小结

第五章结论与展望

5．1结论

5．2展望

参考文献

致谢

附录