波浪作用下建筑物周围的泥沙冲刷及海床演变

摘要

该文利用数值方法研究了海上建筑物周围的泥沙冲刷和海床演变,建立了用于模拟建筑物周围海床演变的数值模型.由于直接利用三维模型计算量非常大,为了提高计算速度和节省计算机存储量,该文利用深度平均的二维模型计算波浪场和水流场,并利用在海底边界层内对动量方程进行垂向积分的数值模型计算海底剪切应力.该文中所有的数值方法利用有限元方法实现.该文提出的数值模型主要用于模拟大尺度建筑物周围的泥沙冲刷情况,所以在计算时必须考虑波浪对建筑物的绕射和反射.在该文中首先分别利用有限元方对缓坡方程和Boussinesq方程进行了数值求解,并在此基础上分别建立了基于缓坡方程和Boussinesq方程的波浪作用下建筑物周围的海床演变数值计算模型.在求解波浪方程时应用了边界处利用解析解拟合和内部边界造波、边界阻尼层消波的方法,避免了利用数值方法近似处理边界条件引起的误差.在求解波浪引起的水流场时利用二维浅水方程,将辐射应力梯度项加入浅水方程中以考虑波浪对水流的影响.计算海底剪切应力时应用波流共同作用模型,而不是纯波浪和纯水流两种情况下的剪切应力的叠加.计算了波浪周期内各个时刻瞬时的悬移质和推移质泥沙输沙率,并对输沙率进行时间平均求得时间平均的输沙率.计算输沙率时考虑了Lagrangian漂移速度和由于波浪边界层不均匀产生的竖向流速的影响,在计算海底地形演变时通过求解用输沙率表示的泥沙质量守恒方程来实现.推导出了利用波面随时间的分布来表示的辐射应力计算公式.对泥沙在斜坡上运动时的临界Shields数进行了修正,并将其应用于该文提出的数值模型中.利用该文数值模型的计算结果与他人的数值结果和试验结果进行了比较.利用数值方法研究了KC数、泥沙粒径和模型比尺对圆柱周围的泥沙冲刷情况的影响.该文利用物理模型试验对波流共同作用下大尺度圆柱周围的泥沙冲刷进行了研究,研究了在波流作用下不同直径的圆柱周围的泥沙冲刷情况,并建立了用于模拟波流共同作用下建筑物周围的泥沙冲刷的数值模型,将此数值模型的计算结果与物理模型试验中的实测值进行了比较.由于实际工程中水流速度相对波浪水质点速度很小,所以在数值模型中忽略了水流对波浪的影响,而考虑波浪辐射应力对水流的影响.

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1前言

1.2大尺度建筑物周围泥沙冲刷的研究现状

1.3本文研究工作

2缓坡方程的数值求解

2.1利用边界拟合方法求解椭圆型缓坡方程

2.1.1基本方程

2.1.2有限元方程的建立

2.1.3计算实例

2.2利用边界阻尼层消波方法求解椭圆型缓坡方程

2.2.1有限元方程的建立

2.2.2数值计算结果

2.3双曲型缓坡方程的有限元解

2.3.1双曲型缓坡方程的导出

2.3.2有限元离散

2.3.3计算结果及分析

2.4小结

3 Boussinesq方程的数值求解

3.1改进的Boussinesq方程

3.2 Boussinesq方程的数值离散

3.2.1有限元空间离散

3.2.2边界条件

3.2.3数值离散得到的线性方程组

3.3.4时间积分

3.3计算结果及分析

3.4小结

4利用缓坡方程计算波浪作用下建筑物周围的海床演变

4.1波浪模型

4.2波浪辐射应力及其引起的流场

4.2.1波浪辐射应力

4.2.2辐射应力引起的流场

4.3底部剪切应力

4.4泥沙输沙率

4.4.1悬移质输沙率

4.4.2推移质输沙率

4.5海底地形变化

4.6计算结果及分析

4.6.1与实测值的比较

4.6.2 KC数对大尺度圆柱周围泥沙冲刷的影响

4.6.3泥沙粒径的影响

4.5.4模型比尺的影响

4.6.5直立防波堤堤头附近的泥沙冲刷

4.7小结

5利用Boussinesq方程计算波浪作用下建筑物周围的海床演变

5.1数值模型

5.1.1波浪模型

5.1.2波浪边界层的计算

5.1.3泥沙输沙率

5.1.4海底地形变化

5.2数值计算结果

5.2.1大尺度圆柱周围的泥沙冲刷

5.2.2防波堤堤头附近的泥沙冲刷计算

5.3小结

6波流共同作用下建筑物周围的海床演变

6.1物理模型试验研究

6.2数值模拟

6.3小结

7结束语

参考文献

攻读博士期间发表的论文

创新点摘要

致谢