灾害波浪近岸演变的CFD模拟研究

摘要

波浪是海洋中最主要的水动力要素之一，是影响人类在海洋（岸）上生活和作业的主要因素之一。在多数情况下，波浪给海洋（岸）上的人类活动和基础设施带来的是负面影响。但是，人类对灾害波浪的产生原因、演变规律以及内部流场特性等缺乏深入理解。因此，对灾害波的深入研究，是合理开发利用海洋资源的前提，是海洋灾害预报预防工作的理论基石。本文以灾害波浪为切入点，依据灾害波浪的作用范围，将灾害波浪分为两类:1、大尺度灾害波，以海啸为代表;2、小尺度灾害波，以畸形波为代表。分别对两种代表性波型展开研究。通过建立数值模型、开展物理实验，研究海啸波在海岸复杂地形上传播、畸形波在潜堤上传播等过程的灾害波演变规律和内部水动力特性，尤其关注波浪破碎过程以及内部流场的变化。
　　本文研究方法以数值模拟为主，并结合物理实验。物理实验在浙江大学舟山校区近海馆大型断面水槽内进行。数值模型在直角笛卡尔坐标系统下建立，采用紧致插值曲线CIP(Constrained Interpolation Profile)方法作为流场基本求解器离散N-S(Navier-Stokes)方程，基于多相流的理论实现流-固耦合同步求解，采用VOF(Volume of Fluid)类型的THINC/SW（Tangent of Hyperbola for Interface Capturing with Slope Weighting）方法重构自由面，利用IBM(Immersed Boundary Method)处理内部固体边界。
　　首先，利用数值模型模拟海啸波在包含大陆架、海滩缓坡、陡坡的复杂地形上的演变过程。将结果与前人实验结果对比，验证模型准确性。得到实测数据所缺乏的海啸波高时程数据。详细分析不同因素对海啸放大因子、水位时程变化、最大波高沿程变化、海啸爬高、压力时程变化、压强场分布、最大压强出现规律等细节问题的影响。发现大陆架长度会影响海啸爬高，且存在一个长度的临界值，当大陆架长度等于临界值时，海啸波爬高最大。海啸波作用过程中，有两个时机可能出现极端压强:冲击和回流。
　　随后，利用数值模型和物理实验研究畸形波在潜堤上传播过程中的波浪变形及内部流场问题。对比实验和数模结果，验证结果的可靠性。分析波浪非线性对畸形波生成的影响，研究不同波高测点的水位时程变化规律，深入研究波浪传播过程中不同时刻的波面形态、速度场分布、压力场分布，探究内部流场与波面变化之间的关系。发现波浪在潜堤上发生破碎时，波能快速耗散，潜堤顶部的波高变小，波浪通过潜堤后，能量损失较大，透射率较小，且非线性越强，破碎越剧烈，能量透射率越小。
　　最后，在数值模型中引入双液相VOF方法，模拟规则波在无障碍水槽中传播、规则波在潜堤上传播以及畸形波在潜堤上传播的过程。分析不同条件下，波浪内部水体掺混以及界面流动特征。发现在波浪破碎的情况下，内部掺混区域主要分布在气泡周围以及翻滚的水头内。随着波浪破碎的结束和内部气泡的消散，掺混水团很快分散并融合
　　本文的主要创新点如下:
　　1、本文关注海啸波内部流场变化规律，获得了以往的研究中所缺乏的流场信息。发现海啸波作用过程中存在两个极端压力出现时机:冲击和回流。冲击压力大，作用范围集中;回流压力作用范围广，不容忽视。
　　2、结合内部流场变化对畸形波破碎的原因和过程进行详细的剖析，揭示波浪破碎过程的水动力特征。发现潜堤的影响使能量向波峰聚集，导致波峰内水质点速度急剧增大，形成破碎水头，水头携带大量能量砸向未破碎的波面，引起连锁的水花翻滚。在翻滚区域及气泡周围，水质点速度较大。
　　3、利用双液相VOF方法对波浪传播和破碎过程的内部界面流动进行详细的分析，揭示波浪内部水质点运动规律。发现波面是否破碎和内部界面是否破碎没有直接关系，在非破碎波持续作用下，内部界面也会发生破碎。在破碎波中，掺混区域主要分布在气泡周围和翻滚水头中。

目录

声明

致谢

摘要

插图

1 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 灾害波浪的研究现状

1．3 灾害波浪的研究难点

1．4 本文的研究内容及方法

2 数值模型介绍

2．1 控制方程

2．2 控制方程的离散与求解

2．3 边界处理方法

2．4 本章小结

3 海啸波的冲击与爬坡问题

3．1 数值波浪水槽

3．2 网格及模型验证

3．3 海啸放大因子

3．4 水位高度的时程变化

3．5 最大波高沿程变化

3．6 海岸陡坡上的波浪爬高

3．7 压力分析

3．8 本章小结

4 聚焦畸形波的传播和演变问题

4．1 实验装置及数值波浪水槽

4．2 实验及数模验证

4．3 非线性聚焦分析

4．4 波高分析

4．5 流场分析

4．6 本章小结

5 波浪内部界面流动

5．1 双液相VOF介绍

5．2 数值波浪水槽及工况

5．3 规则波内部界面流动

5．4 聚焦畸形波内部界面流动

5．5 本章小结

6 结论及展望

6．1 本文工作总结

6．2 进一步工作展望

参考文献

作者简历

发表文章目录