波浪作用下堤前冲淤形态的数值模拟研究

摘要

防波堤及护岸等海岸建筑物周围海床的冲刷涉及建筑物本身的安全，是设计和建设中必须重点考虑的问题之一。本文针对直立防波堤和斜坡防波堤，重点研究了波浪作用下的堤前冲淤及相关的问题。 本文回顾了底床冲淤变形的发展状况，建立了数值模型用以模拟流体与多孔介质的相互作用。多孔介质以外的流体运动以雷诺平均纳维斯托克斯描述，相应紊流场采用改进的k-ε方程描述；多孔介质内部的流体运动采用空间平均纳维斯托克斯方程描述，多孔介质内固体颗粒对水流产生的拖曳力由线性和非线性经验公式表达。模型采用通用的VOF法处理自由表面，以人工孔隙率法处理底床与水流的交界面，可模拟极端条件下任意地形的冲淤演变。 本文通过试验，研究了规则波作用下的堤前冲淤，改进了泥沙输沙量的测量方法，试验的结果与其他学者的结果吻合良好。 本文建立了一个模拟防波堤前波浪作用下的数值波浪水槽，通过对直立堤和斜坡堤在规则波作用下堤前流场的数值模拟，结合物理模型试验，验证了数值模型的正确性。通过讨论泥沙起动流速和推移质输沙率公式的选取，建立了一个波浪作用下推移质输沙数学模型。使用本模型模拟了驻波作用下推移质输沙的底床变形，并与试验数据进行对比，验证了模型所用描述起动流速的经验公式和推移质输沙率公式的正确性。本模型不仅反映流场对底床的冲淤作用，且能实时体现底床变形对流场的改变，实现二者的基本耦合。本文总结了底床泥沙为相对粗纱时堤前泥沙的运动的机理、过程和最终的冲淤形态。

目录

文摘

英文文摘

声明

1绪论

1.1研究目的、手段和意义

1.2相关研究工作的回顾与研究现状

1.3本文的研究工作内容与创新点

2水沙相互作用模型的构建

2.1控制方程

2.1.1紊流控制方程

2.1.2泥沙传输公式

2.1.3自由面跟踪方法

2.2初始和边界条件

2.2.1初始条件

2.2.2波流边界条件

2.2.3泥沙边界条件

2.3数值方法

2.3.1计算域离散

2.3.2两步映射法

2.3.3空间有限差分离散

2.3.4自由水面离散

2.4小结

3 堤前规则波下冲淤物理模型试验

3.1研究目的

3.2试验设备及测试仪器

3.2.1试验设备与测量仪器

3.2.2试验模型和自制测量工具

3.3试验条件与工况

3.3.1试验条件

3.4试验方法

3.4.1断面流速测量

3.4.2起动流速测量

3.4.5断面输沙率测量

3.4.4流高测量

3.4试验结果与分析

3.4.1堤前的冲淤现象

3.4.2堤前冲淤形态和机理解释

3.5结论

4 堤前规则波下流场的数值模型试验

4.1直立堤堤前波浪场的模拟

4.1.1数值波浪水槽配置

4.1.2驻波作用下堤前波浪场计算及结果分析

4.2斜坡堤堤前波浪场的模拟

4.3结论

5冲淤的数值模型

5.1堤前驻波作用下泥沙起动流速

5.2堤前驻波作用下推移质输沙

5.3堤前驻波作用下底沙运动的机理

5.5结论

6 结论与展望

6.1结论

6.2存在问题

6.3展望

参考文献

致谢

个人简历

在学期间参加的研究项目

攻读学位期间发表的学术论文