波浪与多孔介质相互作用的水动力特征研究

摘要

波浪与多孔介质相互作用的水动力特性是个十分复杂的问题，研究该课题对于海岸和近海工程具有重要的理论意义和工程应用价值。本文利用物理模型试验和数学模型相结合的方法研究波浪与多孔介质底床、波浪与多孔介质结构物(抛石潜堤、抛石基床防波堤)相互作用的水动力特征。 首先建立了波浪与多孔介质相互作用的耦合数学模型。波浪域的控制方程为雷诺时均方程和k-ε紊流模型，采用PLIC-VOF法追踪波浪自由表面，多孔介质内孔隙流场采用非线性Forchheimer方程，两区域共享连续方程，最后导出的波浪域与孔隙流域的压力修正方程具有完全相同的形式，使得能够同时求解而不是分别求解波浪场与孔隙流场，避免了在内部边界上给定匹配条件，实现了波浪场与孔隙流场的同步耦合。然后推导和建立了用动弹性固结理论求解海床在波浪作用下动力响应的有限元方程。 通过波浪水槽试验研究了椭圆余弦波作用下平底床面上非对称沙纹的形成和演化规律、非对称沙纹底床上的流场特性，并进一步利用数学模型计算分析了椭圆余弦波作用下非对称沙纹床面上的流动特性和涡动特性。通过模型试验和数值计算分析了正弦波和椭圆余弦波作用下自由沙质海床中的孔隙水压力响应规律，分析了波浪参数和海床介质参数对孔隙水压力分布的影响。通过建立的耦合数学模型分别研究了正弦波、孤立波与粗颗粒海床的相互作用，分析了海床厚度、孔隙率、粒径、固有渗透率、坡度对波浪衰减和孔隙水压力分布的影响，得到了海床内外的流场分布，对比了正弦波和孤立波的计算结果。 通过耦合数学模型研究了波浪与平底床面上抛石潜堤相互作用，分析了堤高、堤宽、孔隙率对透射系数的影响，得到了堤内外的流场分布，并分析了堤附近水流的涡动特性。研究了波浪与斜坡上抛石潜堤相互作用，分析了堤宽、堤高对波浪传播的影响，对比了可渗和不可渗潜堤周围的流场特征。 通过模型试验和耦合数学模型研究了波浪与抛石基床防波堤及沙质海床的相互作用。通过波浪水槽试验研究了波浪作用下抛石基床直立堤下方沙质底床中孔隙水压力响应规律。给定波浪场和沙质海床交界面上的压力连续相等的条件，利用耦合数学模型计算分析波浪-抛石基床防波堤相互作用时海床表面的动水压力，再将计算得到的动水压力作为荷载施加到沙质海床动力响应模型中分析沙质海床中的孔隙水压力，试验证明本文建立的弱耦合模型是合理的。利用建立的模型分析了抛石基床防波堤附近的波高变化、孔隙水压力分布、堤内外流场特性。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1研究意义

1.2国内外研究进展

1.2.1波浪作用下多孔介质海床孔隙水压力响应研究

1.2.2波浪与沙纹床面相互作用研究

1.2.3波浪作用下多孔介质的流动特性和波浪衰减

1.3主要内容

2波浪与多孔介质相互作用的耦合数学模型

2.1控制方程

2.1.1波浪域控制方程

2.1.2孔隙流控制方程

2.1.3 PLIC-VOF方法

2.2控制方程的离散求解

2.2.1网格划分

2.2.2控制方程的离散求解

2.3边界条件

2.3.1造波机边界条件

2.3.2其他边界条件的设置

2.4数值稳定-收敛条件

2.4.1数值稳定条件

2.4.2收敛判定条件

2.5计算步骤

3波浪作用下海床动力响应数学模型

3.1海床动力响应控制方程

3.2定解条件

3.2.1边界条件

3.2.2初始条件

3.3有限元方程的建立

3.3.1位移和孔隙水压力模式

3.3.2单元方程

3.3.3单元方程的矩阵形式

3.3.4总体方程

3.3.5方程的改进

3.4有限元方程的求解过程

4波浪与沙质海床相互作用的研究

4.1波浪作用下纱纹床面的底层流动特性试验研究

4.1.1试验概况

4.1.2试验现象

4.1.3试验结果分析

4.2非线性波作用下非对称沙纹床面底层流动特性数值分析

4.2.1数值方法和边界条件

4.2.2模型验证

4.2.3计算结果及分析

4.3波浪作用下自由海床中的孔隙水压力响应试验

4.3.1试验概况

4.3.2弦波作用下海床中的孔隙水压力响应

4.3.3椭圆余弦波作用下海床中的孔隙水压力响应

4.4非线性波作用沙质底床孔隙水压力响应数值分析

4.4.1数值方法和边界条件

4.4.2模型验证

4.4.3计算结果及分析

4.5小结

5波浪与粗颗粒海床相互作用的研究

5.1 正弦波与粗颗粒海床相互作用的研究

5.1.1数学模型及验证

5.1.2计算结果分析

5.2孤立波与粗颗粒海床相互作用的研究

5.2.1数学模型及验证

5.2.2计算结果分析

5.3小结

6波浪-抛石基床防波堤-沙质海床相互作用研究

6.1波浪与抛石斜坡潜堤相互作用数值研究

6.1.1数学模型及验证

6.1.2波浪与水平底床上抛石斜坡潜堤相互作用计算结果分析

6.1.3波浪与斜坡底床上抛石斜坡潜堤相互作用计算结果分析

6.2波浪-抛石基床防波堤-沙质海床相互作用试验研究

6.2.1试验简介

6.2.2试验结果分析

6.3波浪-抛石基床防波堤-沙质海床相互作用数值研究

6.3.1数学模型及验证

6.3.2计算结果分析

6.4小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表学术论文情况

创新点摘要

致 谢