不规则波与开孔沉箱作用的数值研究

摘要

近年来随着现代港口工程技术的发展与进步，传统实体直墙式的防波堤结构已经逐渐不能满足实际工程的各种需要，提出新型式的防波堤结构显得尤为紧要。开孔沉箱型式自从其被提出以来，以其良好的消浪效果、能有效改善结构受力和施工方便等优点在实际海岸工程中得到广泛的应用。国内外众多学者对开孔沉箱结构的水动力特性进行了相关的研究，但迄今研究成果大部分以物理模型试验为主，而数值模拟方面特别是贴合实际工程不规则波波况的研究成果较为少见。
　　本文基于三步有限单元法离散Navier-Stokes方程，借助CLEAR-VOF方法追踪流体自由表面变化，引入大涡模拟的方法模拟流体中的湍流效应，并且通过主动吸收式造波方法消除造波端的二次反射波浪，靶谱采用合田改进的JONSWAP谱，同时用等分能量法划分频谱区间，建立了二维不规则波浪数值水槽，成功模拟了不规则波在水槽中的传播。
　　在此基础之上，本文数值模拟了不规则波浪与开孔沉箱的作用过程，计算得到沉箱结构的反射率、总水平波浪力等结果。并将模拟结果结合其他学者的物理模型试验结果、数值模拟结果以及行业规范给出的经验公式计算值进行了详尽的对比，吻合程度较好，表现的趋势规律一致，验证了本文所提出的数值模式的有效性与可靠性；分析了消浪室相对宽度，相对水深，相对波高以及开孔率等无量纲因素对于沉箱反射系数，沉箱结构与实体直墙结构所受总水平波浪力峰谷值之比等的影响关系。研究成果为开孔沉箱结构型式防波堤的实际工程应用与设计提供了一定的参考依据。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 开孔沉箱结构国内外研究概况

1.3 不规则波造波与消波理论的研究概况

1.4 本文的主要研究工作

2 数值计算方法

2.1 基本控制方程

2.2 大涡模拟湍流模型

2.3 有限元数值离散

2.4 自由表面追踪方法

2.5 程序实现过程

3 数值波浪水槽的建立

3.1 数值水槽概况

3.2 不规则波模拟

3.3 主动吸收式造波

3.4 本章小结

4 不规则波作用下开孔沉箱反射率的数值研究

4.1 模型概况

4.2 波浪与开孔沉箱作用的波况对比

4.3 不规则波与开孔沉箱作用的反射率数值模拟结果

4.4 本章结论

5 不规则波作用下开孔沉箱水平波浪力的数值研究

5.1 模型概况

5.2 不规则波浪与开孔沉箱作用的总水平力峰值模拟结果

5.3 不规则波作用下开孔沉箱总水平力谷值的研究结果

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢