用雷诺时均模型模拟孤立波、均匀流与海工结构物的相互作用

摘要

实际中的海岸动力环境特别复杂,一般来讲都是以波浪和水流联合作用的形式出现的,波浪、水流的联合作用对于近岸泥沙、污染物的输移以及对于海洋结构物安全性的影响,要比单纯的波或者流的作用要复杂得多.因此研究波浪和水流的相互作用机理,已成为非线性科学的前沿课题,越来越受到国内外专家学者的高度重视,并且对于开发利用海洋及其沿海资源、保护海洋环境具有重要的意义和紧迫性. 本文基于时变雷诺方程和k-ε湍流模型,采用能模拟波浪破碎的流体体积函数(VOF)方法跟踪波动自由表面,建立了可以模拟孤立波、均匀流和各种结构物相互作用的立面二维数学模型.采用能消去造波板二次反射的可吸收式数值造波机造波；在开边界处采用了适合本模型的海绵吸收方法对波流进行吸收；对自由表面的处理,采用精度较高的Youngs算法计算网格内的流体体积函数的值,在网格内用斜线段重构自由表面. 雷诺方程的求解采用两步投影法:第一步,不考虑压强梯度对速度场的贡献,即在动量方程中略去压力梯度项,且时间项采用时间向前差分,得到中间速度场. 第二步将此速度场向无散度的空间投影,得到满足连续性方程的流场.为了验证模型在计算流体作用力、造波性能和自由面模拟等方面的准确性,本章分别用圆柱绕流、孤立波造波和孤立波在斜坡上的爬高等算例进行了验证,数值结果与实验结果符合较好. 利用本文建立的数学模型,对孤立波、均匀流分别在顺流、逆流情况下与处于不同水深的圆形潜堤的相互作用进行了模拟,分析了自由表面对圆柱的水动力学特性的影响,以及圆柱附近的波面变化过程以及流动结构的变化过程.计算方法和计算结果对海底管线、排污管道的设计施工有一定的参考价值.

目录

文摘

英文文摘

独创性声明及学位论文版权使用授权书

第一章绪论

1.1研究背景和研究意义

1.2相关工作回顾

1.2.1波浪和水流的相互作用

1.2.2基于N-S方程的自由表面的追踪方法

1.2.3数值造波方法

1.2.4无反射开边界处理方法

1.3本文的主要工作

第二章波流相互作用的二维数学模型

2.1数学模型

2.1.1控制方程

2.1.2边界条件

2.2 VOF自由表面跟踪方法

2.2.1自由表面的重构

2.2.2自由表面的重构

2.3可吸收式数值造波机

2.4波浪无反射边界的处理

2.5小结

第三章数学模型的离散、求解和验证

3.1控制方程的离散

3.1.1求解粘性不可压流动的两步投影法

3.1.2动量方程的离散

3.1.3压力泊松方程的离散

3.1.4k-ε方程组的离散

3.2求解压强泊松方程组的广义共轭剩余法

3.3数学模型的验证

3.3.1圆柱绕流

3.3.2孤立波造波验证

3.3.3孤立波在斜坡上的爬高

3.4小结

第四章波、流与圆形潜堤的相互作用

4.1波、流与静水面相切的圆柱的相互作用

4.1.1纯孤立波与静水面相切的圆柱的相互作用

4.1.2同向孤立波、均匀流与静水面相切的圆柱的相互作用

4.1.3逆向孤立波、均匀流与静水面相切的圆柱的相互作用

4.2波、流与半水深处的圆柱的相互作用

4.2.1纯孤立波与半水深处的圆柱的相互作用

4.2.2同向孤立波、均匀流与静水面相切的圆柱的相互作用

4.2.3逆向孤立波、均匀流与半水深处的圆柱的相互作用

4.3小结

第五章结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢