波浪作用下反弧面直墙防波堤堤前冲刷试验及数值模拟研究

摘要

防波堤堤前冲刷引起的安全问题，在设计和建设过程中一直被重点关注。反弧面直墙防波堤作为一种新型防波堤，堤前冲刷尚未进行过研究，为了预估波浪作用下最大冲刷深度、堤前是否需要护坦及采取何种护坦措施，进行研究具有重要的工程意义。本文以物理模型试验为基础，结合流体计算软件Flow3D对堤前冲刷的相关问题进行了研究。
　　物理模型试验共27种工况，水深、波高和周期各3种取值，通过试验发现了如下现象和规律。根据观察，所有试验工况的堤前波浪形态可分为三类:一、近破波，产生于小水深的情况，此时堤前床面为不规则冲刷形态;二、远破波，产生于大水深大周期的情况，此时堤前床面为扇形冲刷形态;三、立波，产生于大水深小周期的情况，此时堤前为垂直于波浪传播方向的平行沙纹，分别描述了三种冲淤形态随时间的发展过程。分析了堤前水深和波要素的变化对堤前冲刷形态的影响，结果表明水深对堤前冲刷影响最大，周期其次，波高最小，且当水深相同时，堤前不冲不淤节点距堤脚的距离与波长的比值为定值，与波高无关。将堤前最大冲刷深度实测值与谢世楞公式计算值进行比较，发现在谢世楞公式基础上乘以放大系数1.1，计算值与实测值较为接近，可用于该新型防波堤堤前冲刷深度估算。
　　基于Flow3D软件建立数学模型，计算了堤前波高、波浪形态并与实测值进行了比较，吻合较好。在数值模型验证的基础上分析了堤前流场和紊动能量场的分布状况，发现在反弧面墙的外部会形成发散速度，堤前的冲淤形态由紊动能量和发散速度这两种因素共同决定，当发散速度起主导作用时，堤前床面冲刷形态为扇形分布;但若受到紊动的影响，扇形分布形态会转变成不规则形态。发散速度的作用会随着水深的增大而减小，意味着水深足够大时，反弧面墙防波堤堤前冲刷形态将与直立堤类似。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究的目的及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 波浪作用下堤前冲刷物理试验研究

1．2．2 波浪作用下堤前冲刷数值模拟研究

1．3 本文的主要工作

第二章 物理模型设计

2．1 物理模型、波浪条件及泥沙的基本属性

2．1．1 物理模型

2．1．2 波浪条件

2．1．3 泥沙基本属性的测量

2．2 试验仪器及场地布置

2．2．1 试验仪器简介

2．2．2 试验场地布置

2．2．3 试验方法

2．3 本章小结

第三章 堤前冲刷试验及分析研究

3．1 试验现象

3．1．1 冲刷形态及最大冲刷深度分析

3．1．2 冲刷形态随时间的发展过程

3．1．3 反弧面防波堤与直墙防波堤堤前冲刷的区别

3．2 冲刷机理浅析

3．3 水深对冲刷的影响

3．4 波要素对冲刷的影响

3．4．1 波高对冲刷的影响

3．4．2 周期对冲刷的影响

3．5 最大冲刷深度实测值与计算值的对比

3．6 堤脚防护措施

3．7 本章小结

第四章 数值模拟研究

4．1 数学模型

4．1．1 波浪运动控制方程

4．1．2 紊流模型选取

4．1．3 Flow3D VOF液面追踪法

4．1．4 Flow3D FAVOR网格划分技术

4．2 Flow3D数学模型的建立

4．2．1 网格划分

4．2．2 边界条件设定

4．3 数模结果分析

4．3．1 数模结果验证

4．3．2 堤前流场对冲淤形态的影响

4．3．3 反弧面墙防波堤与直立堤堤前流场的比较

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录