斜坡平台上波浪破碎变形试验及数值研究

摘要

波浪是海洋中最为活跃的动力因素之一,极大部分的海洋及海岸工程都受到波浪的作用,波浪要素往往是确定工程造价、建筑物型式等最基本的参数。外海深水区的波浪传播到近岸浅水区域时,受地形、水深、岛屿等影响后,会发生折射、反射、绕射和破碎等变化,规律极为复杂,因此,分析近岸带的波浪破碎特性是港口海岸工程研究的重要问题之一。
　　 为解决传统的单点测流方法的不足,本文基于粒子图像测速技术PIV(PIV,ParticleImageVelocimetry)对波浪破碎区的流场特性进行研究。试验中,采用移动PIV解决多窗口流场的叠加和重构问题,得到破碎区完整的流场特性,其中包括自由液面和流场的时空变化,详细分析了波浪在斜坡平台上的破碎形态、流场的分布、破碎区的涡尺度以及湍动能时空变换特性。结合频谱手段对波浪通过斜坡平台时的波能演化特性进行研究。结果表明,波浪通过斜坡平台并在平台上破碎时,波浪不对称性加剧,破碎点流速明显增大,水体内部流速分布相对规则。由于斜坡的浅化影响,波浪波峰变的尖锐,平台持续浅化作用使倍频能量出现,波能向高频转换。波浪破碎后,涡量发生反向、扩散,总能量耗散明显。
　　 其次,本文基于CFD开源工具箱OpenFOAM,通过在类边界中植入规则波方程,并在模型的动量方程中植入阻尼项,形成阻尼消波边界,建立了基于动网格的二维数值波浪水槽,利用实例验证了模型的可靠性和有效性。最后,在建立的模型基础上,对波浪通过斜坡平台的传播特性进行了数值模拟,详细分析了平台上破碎区内流场结构、涡尺度的生成机理和运动变化特征。结果表明,计算值与PIV实验值吻合良好,本文所建立的二维数值波浪水槽能很好的模拟波浪在斜坡平台上的传播变形特性,模型能较好地反映破碎区的水动力特性。