波浪在潜堤上传播变形的试验与数值研究

摘要

潜堤是最常见的近岸防护物,用于减弱外海波浪,保护海滩和岸上设施及建筑物。由于近岸波浪复杂多变,增加了对近岸波浪数值模拟的难度,使得波浪与潜堤相互作用的数值模拟精度不高,无法达到工程应用程度,因此,精确地模拟波浪与潜堤相互作用一直是海岸工程领域内的研究热点。本文研究利用物理模型试验与数值模拟相结合的方法进行了研究,来验证所建立的数值水槽能否精确模拟波浪与潜堤相互作用。
　　物理模型试验在中国海洋大学海工实验室的水槽中进行波浪与潜堤相互作用的断面试验,物理模型对象是梯形潜堤,波浪类型为规则波和不规则波两种。利用波高仪采集波高数据,流速仪率定加流时流速。
　　数值模拟采用计算流体动力学(CFD)软件 Flow-3D,基于求解连续性方程和不可压缩粘性流体运动的 Navier-Stokes方程,结合 RNGκ-ε湍流模型,采用 VOF法进行自由表面追踪,建立二维数值波浪水槽。在已有的Outflow出流边界的基础上,结合多孔介质以及变步长法进行末端消波。
　　通过物理模型试验结果对比验证,优化调整多孔介质孔隙直径和变步长网格步长,获得优化消波效果的二维数值波浪水槽。在数值波浪水槽中添加潜堤模型,模拟波浪在潜堤上的传播过程,数值模拟与物理模型试验结果吻合良好。特别指出,非线性作用较强的堤顶部分的模拟结果与实验结果基本一致,说明本次研究所建立的Flow-3D数值波浪水槽能够较好的模拟波浪与潜堤的相互作用。
　　通过本次研究,在结合多孔介质和等差变步长网格法进行消波时,孔隙直径0.3m,等差值0.05m的组合在所有研究组合中消波效果最好。进一步数值模拟研究表明,潜堤坡度对潜堤透射系数影响很小;当加流流速从-0.1m/s变化到0.3m/s时,潜堤透射系数先增大后减小,在流速为零时达到最大;潜堤透射系数随堤顶相对高程的增加而增大,随波浪周期的增加而减小。

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1 绪论

1.1 研究目的与意义

1.2 波浪在潜堤上演变的研究概述

1.3 数学模型的发展

1.4 本文研究内容

2 物理模型试验

2.1 海工实验室介绍

2.2 试验模型布置

2.3 试验过程

3 数值波浪水槽

3.1 Flow-3D介绍

3.2 数值水槽的构建

3.3 多孔介质消波

3.4 变步长网格消波

3.5 多孔介质与变步长法结合进行消波

4 波浪在潜堤上传播的数值试验研究

4.1 规则波试验数据与数值结果的对比验证

4.2 不规则波试验数据与数值结果的对比验证

4.3 潜堤参数和波要素对透射系数影响

5 总结与展望

5.1 本文研究结果

5.2 研究展望

参考文献

致谢

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