波流耦合作用下气幕防波堤消波行为特性研究

摘要

防波堤是为了保护港口免受外界环境的影响、便于船舶作业和安全停泊而修建的水工结构建筑物，它是人工方法掩护沿海港口、码头的重要结构之一。气幕防波堤是防波堤的一种特殊形式，与固定式防波堤相比具有可移动性、可重复使用性、基本不受水深和地质条件限制等优势，在水运、水产养殖、军事方面都有很好的应用前景。
　　为深入研究气幕防波堤的消波特性，本文建立了波流耦合作用下立面二维气幕防波堤数学模型和室内实验模型。将空气和水看成是一种变密度单流体，视空气为不可压缩气体，利用连续方程和N-S方程求解水气运动，采用VOF方法追踪自由波面。在数值水槽底部设置速度进、出口边界生成水平流。利用UDF添加源项模拟气泡帷幕。基于推板式造波法和阻尼消波法，建立并验证了波流耦合作用下立面二维气幕防波堤数学模型。进而，利用数学模型对静水条件下、纯波浪条件下以及波流耦合作用下的气幕运动进行了相关计算与分析。
　　分析结果表明:
　　(1)波流耦合作用下，气幕防波堤的消波机理主要是在水面处产生的一定厚度的相反方向的水平流，迎浪一侧的水平流使得波浪水质点固有的运动轨迹遭到破坏，促使波浪破碎、波能减小，导致透射波高的衰减，这与单纯波浪条件下一致;
　　(2)波流耦合作用下，透射系数随供气量和管道埋深的增大而分别减小，随入射波周期和波高的增大而分别增大，这与单纯波浪情况下一致;
　　(3)波流耦合作用下，其它参数一定的情况下，当正向（或逆向）断面平均流速接近某一较小值时，透射系数最小，消波性能最好。
　　研究结果可以为气幕防波堤的设计和应用提供～定的参考依据。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文研究工作

2 物理模型实验

2．1 实验布置

2．2 实验仪器与设备

2．2．1 空气压缩机

2．2．2 SIARGO MF5700气体质量流量计

2．2．3 喷气管模型

2．2．4 造波机

2．2．5 流速仪

2．3 实验数据及分析

2．4 本章小结

3 气幕防波堤的立面二维数学模型

3．1 气幕防波堤数学模型的建立

3．1．1 控制方程

3．1．2 初始条件和边界条件的确定

3．1．3 造波、消波设置

3．1．4 水平流与气泡帷幕的产生

3．1．5 网格划分

3．2 建立离散方程

3．3 求解离散方程

3．4 计算流体力学软件介绍

3．4．1 FLUENT

3．4．2 PHOENICS

3．4．3 CFX

3．4．4 STAR-CD

3．5 判断解的收敛性

3．6 用户自定义函数

3．7 数学模型的验证

3．7．1 纯波浪条件下

3．7．2 波流耦合作用下

3．8 本章小结

4 波流条件下气幕防波堤消波特性影响因素及规律

4．1 气幕防波堤水力要素的时空分布

4．1．1 数学模型的应用

4．1．2 静水中的气幕运动

4．1．3 波浪中的气幕运动

4．1．4 波流耦合作用下的气幕运动

4．1．5 波流耦合作用下的气幕防波堤波能分析

4．2 气幕防波堤消波性能影响因素分析

4．2．1 气幕防波堤自身结构因素的影响

4．2．2 入射波要素的影响

4．2．3 气幕防波堤透射系数的拟合方程

4．2．4 逆向流对气幕防波堤的作用

4．3 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 今后工作展望

参考文献

附录

致谢

个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果