用URANS方程模型模拟非线性水波与海工结构物的相互作用

摘要

在非线性波浪和结构物相互作用过程中,波浪在结构物附近会发生急剧的变形,甚至破碎,因此在粘性不可压缩流动模型中,能处理自由表面的运动和变形是问题的关键;同时,数值造波,无反射边界条件的实现和不可压缩流动的数值解法,也是数学模型成功的必要条件.该文采用时变雷诺方程作为控制方程,并用κ-ε湍流模型来封闭雷诺方程,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,建立了立面二维和三维可以模拟非线性波和各种结构物相互作用的数学模型.对于数值造波采用了能消去造波板二次反射的可吸收式数值造波机造波,提出了适合该模型的海绵吸收方法.对模型中的数值造波机的造波效果和海绵层吸收波浪的性能进行了验证.在二维数学模型中,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.在三维模型中,为了避免在网格内采用斜面表示自由表面时的复杂的几何计算,采用了Hirt—Nichols的

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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非线性波浪传播的数学模型

1.2.2波浪和结构物的相互作用

1.2.3波浪与结构物作用的粘性不可压缩模型

1.2.4自由表面问题的处理方法

1.2.5粘性不可压缩流动问题的数值解法

1.3本文的主要工作

第二章波浪与结构物相互作用的二维数学模型和数值方法

2.1数学模型

2.1.1控制方程

2.1.2湍流模型

2.1.3边界条件和初始条件

2.2自由表面的跟踪方法

2.2.1流体体积函数(VOF)方法

2.2.2分段常数体积跟踪法

2.2.3分段线性体积跟踪法

2.3造波方法和波浪无反射边界的处理

2.3.1可吸收式数值造波机

2.3.2波浪无反射边界的处理

2.4方程的离散和数学模型的求解

2.4.1计算域和控制方程的离散

2.4.2求解压强泊松方程组的广义共轭剩余法

2.4.3离散方程的求解步骤

2.5小结

第三章波浪与结构物相互作用的三维数学模型和数值方法

3.1数学模型

3.1.1控制方程

3.1.2边界条件和初始条件

3.2三维自由表面的跟踪

3.2.1三维自由表面跟踪的VOF方法

3.2.2自由表面的重构

3.2.3自由表面的推进

3.3造波方法和波浪无反射边界的处理

3.3.1分段数值造波机

3.3.2波浪无反射边界的处理

3.4方程的离散和数学模型的求解

3.4.1计算域和控制方程的离散

3.4.2离散方程的求解步骤

3.5 小结

第四章数学模型的验证

4.1孤立波在直立墙前的爬高验证

4.2前台阶上波面变形过程的验证

4.3矩形潜堤附近的速度场验证

4.4码头结构物受到的上托力验证

4.5二维数学模型的造波验证

4.5.1孤立波

4.5.2小振幅波

4.5.3 STOKES二阶波

4.5.4椭圆余弦波

4.6三维数学模型的造波验证

4.6.1孤立波

4.6.2小振幅波

4.7小结

第五章波浪与水平圆柱的相互作用

5.1波浪与海床上的圆柱的相互作用

5.2波浪与海床附近的圆柱的相互作用

5.3波浪与半水深处的圆柱的相互作用

5.4波浪与近水面附近的圆柱的相互作用

5.5波浪与静水面相切的圆柱的相互作用

5.6小结

第六章波浪与矩形浮、潜结构的相互作用

6.1波浪与矩形浮堤的相互作用

6.1.1宽度的影响

6.1.2淹没深度的影响

6.2波浪与水中间不同宽度的矩形潜结构的相互作用

6.2.1矩形结构物的宽度较小

6.2.2矩形结构物的宽度较大

6.3小结

第七章波浪与半圆型防波堤的相互作用

7.1孤立波与半圆型防波堤的相互作用

7.1.1淹没状态

7.1.2平顶水位状态

7.1.3露顶但越浪状态

7.1.4露顶且不越浪状态

7.2椭圆余弦波与半圆型防波堤的相互作用

7.2.1淹没较深，波浪不破碎状态

7.2.2淹没较浅，波浪破碎状态

7.2.3堤顶时淹时潜状态

7.2.4平顶水位状态

7.2.5露顶且不越浪状态

7.3小结

第八章波浪作用下防波堤堤头附近的三维流动特性分析

8.1波浪与半圆型单突堤的相互作用

8.1.1淹没状态的半圆型单突堤

8.1.2露顶不越浪状态的半圆型单突堤

8.2波浪与不同堤型的双突堤相互作用

8.2.1淹没状态的半圆型双突堤

8.2.2平顶水位状态的半圆型双突堤

8.2.3露顶不越浪状态的矩形双突堤

8.3小结

第九章结论及展望

9.1结论

9.2展望

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢