破碎波与直立堤相互作用的研究

摘要

直立堤是港口工程中一种常见的结构形式，波浪力是其承受的主要荷载之一。破碎波特别是冲击性强的近和远波，对直立堤的破坏极大，而由于波浪的破碎机理复杂，破碎过程中伴随着掺气、剧烈的紊动等，至今人们对破碎波对直立堤的作用机理尚不清楚。
　　 为研究破碎波压力的特点及压力变化与流场变化之间的关系，本文依托国家自然科学基金：“破碎波对直立建筑物作用机理及其波浪力的研究”(N0.50679008)，采用数值模拟和物理模型实验相结合的方法，对规则波条件下的破碎立波和近破波与直立堤的相互作用进行了研究。物理模型实验利用先进的瞬态全场测量技术.粒子图像测速法(PIV)技术，得到与压力同步的流场矢量图，为研究流场变化和压力的关系提供基础。数值模拟采用有限元方法和Volume of Fluid(VOF)技术建立二维非线性数值波浪水槽，通过求解流体的控制方程得到破碎波与直立堤作用的流场和波压力。
　　 通过将数值计算得到的破碎立波，中、高基床近破波的压力分布、波浪力、压力历时曲线及流场等与物模实验结果进行比较，说明数值模型可以较好地计算出破碎波对直立堤作用的波浪力，及模拟出波浪在直立堤前的变形、破碎过程，验证了数值模型的可靠性。
　　 破碎立波属表面破碎，流场过程与立波类似。其压力历时曲线呈马鞍形变化主要是由波浪非线性造成的，而破碎使马鞍形变化更明显，按规范方法计算破碎立波波浪力偏于保守。
　　 近破波破碎后冲击直立堤时，冲击作用对压力有明显的贡献，第一个压力峰值的形成受冲击压力的影响；随着水体沿直立堤的上升，冲击作用减小，波浪破碎水质点不连续，压力值随之减小；波峰时上部水体和下部水体分离，导致波面下落时上部水体对下部水体产生冲击，这对第二个压力峰值的形成有重要影响。
　　 基床高度不同造成波浪的破碎形式不同，中基床条件下发生崩破形式的破碎，对直立堤的冲击较为缓和，高基床条件下发生卷破形式的破碎，破碎后形成整块水体直接冲击直立堤，对直立堤的冲击作用非常剧烈。而不同的破碎形式造成了压力历时曲线形式的不同，中基床时为马鞍形压力过程，压力变化过程较缓慢，两个压力峰值相差不太大，高基床时压力历时曲线仍有两个峰值，由于剧烈的冲击作用，第一个压力波峰形状非常尖陡，明显大于第二个压力峰值。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 选题意义

1.2 国内外研究概况

1.3 本文研究内容与目的

2 破碎波理论基础

2.1 破碎波类型

2.2 波浪破碎成因

2.3 破波压力计算方法

3 计算模型及实验方案介绍

3.1 数值模型介绍

3.1.1 VOF方法基本原理

3.1.2 三步有限元原理及计算步骤

3.1.3 数值模型布设

3.2 物理模型介绍

3.3 波浪要素及压力采集点位置

4 破碎立波计算结果与分析

4.1 立波结果分析

4.1.1 波面结果

4.1.2 不同方法压力计算结果比较

4.1.3 流场图像比较

4.2 破碎立波结果分析

4.2.1 各测点压力历时曲线比较与分析

4.2.2 破碎立波流场图像比较

4.2.3 破碎立波马鞍形压力过程变化的原因分析

4.2.4 立波和破碎立波波浪力比较

4.2.5 小结

5 近破波结果与分析

5.1 中基床近破波结果与分析

5.1.1 波压力比较与分析

5.1.2 压力历时曲线比较

5.1.3 流场与压力变化的关系

5.1.4 小结

5.2 中基床与高基床近破波结果比较

5.2.1 高基床近破波结果

5.2.2 中基床与高基床近破波流场、压力等比较

5.2.3 小结

结论与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢