波浪与近岸结构物相互作用的CIP数值模拟及实验研究

摘要

波浪在与近岸结构物相互作用过程中常伴随反射、折射、绕射、紊流、高次谐波的产生等复杂现象，在极端海况下还会遭遇到波面破碎、翻滚及水气掺混等强非线性自由面大变形问题。因此，利用物理模型实验加深对上述复杂现象的认识、开发适合上述现象的数学模型准确预测复杂海况下结构物周围水动力特性、波浪力和结构响应，对开展结构设计和安全防护等问题的研究具有重要的工程应用价值。本文在总结前人研究成果的基础上，开展不同水深条件下，不同尺度规则波和孤立波与近岸结构物相互作用的实验研究和数值模拟。
　　首先，在宽断面波浪水槽内开展波浪与潜堤、水下承台上垂直和倾斜结构物相互作用的实验研究，着重研究不同水深条件下,不同尺度波浪与近岸结构物相互作用时的波浪非线性变形、波浪在结构物周围的破碎过程以及结构物周围流场及压力场等水动力特性的变化过程。
　　其次，基于自主研发的数学模型，开展波浪与近岸结构物相互作用的数值模拟研究。本文数学模型以Navier-Stokes方程和连续性方程为控制方程，以高阶差分紧致插值曲线(CIP:Constrained Interpolation-ProfileMethod)方法为流场的基本求解器离散Navier-Stokes方程，通过多相流理论描述固-液-气之间的相互作用，采用便于描述复杂几何外形和运动物体边界的浸入边界法处理结构物边界，并采用精度更高的改进型双曲正切函数(THINC/SW:Tangent of Hyperbola for INterface Capturing/Slope Weighting)方法进行自由面的重构。通过对二维/三维溃坝波与结构物相互作用的模拟，对模型的正确性和有效性进行了验证。基于建立的模型，开展潜堤上波浪变形、波浪对承台上结构物作用等问题的数值模拟，重点分析结构物附近的波面高程、流速信息、冲击压力等参数，数值结果与实验数据吻合良好。此外，还利用已得到验证的本文模型开展了波浪与承台上不同坡度结构物相互作用的研究，发现结构物坡度将直接影响反向涌浪的形成及大小。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 潜堤问题实验研究现状

1．2．2 潜堤问题数值模拟研究现状

1．2．3 波浪作用于直立或倾斜堤问题实验研究现状

1．2．4 波浪作用于直立或倾斜堤问题数值模拟研究现状

1．3 数学模型的发展

1．3．1 CIP方法的发展及应用

1．3．2 VOF-IB数值方法的发展及应用

1．4 本文研究内容

2 实验介绍

2．1 实验条件

2．1．1 造波设备

2．1．2 造波理论

2．1．3 数据采集装置

2．2 实验布置

2．2．1 波浪在潜堤上演化破碎实验

2．2．2 波浪与近岸承台上竖直结构物相互作用

2．2．3 波浪与近岸承台上倾斜结构物相互作用

2．3 实验参数及工况

2．4 实验数据采集与准确性验证

2．4．1 实验数据采集

2．4．2 实验准确性验证

2．5 本章小结

3 基于CIP方法的IBM-VOF数学模型介绍

3．1 控制方程

3．2 CIP方法简介

3．2．1 一维CIP方法

3．2．2 多维CIP方法

3．3 分步求解

3．4 笛卡尔交错计算网格

3．5 压力Possion方程的迭代求解

3．6 自由表面追踪

3．7 边界条件

3．7．1 造波边界

3．7．2 消波边界

3．7．3 固壁边界

3．7．4 结构物边界

3．8 本章小结

4 数学模型的验证

4．1 自由面捕捉方式的刚体旋转验证

4．2 二维溃坝水流与三角形障碍物的相互作用

4．2．1 计算域的选取

4．2．2 网格划分和初始条件设置

4．2．3 结构物边界处理方法的影响

4．2．4 溃坝波演化过程

4．2．5 不同时刻波面比较

4．2．6 不同水深测点液位变化比较

4．2．7 三角形障碍物前后坡度对反向涌浪的影响

4．3 三维溃坝水流与结构物的相互作用

4．3．1 计算域的选取及网格划分

4．3．2 溃坝波演进

4．3．3 结构物受力

4．3．4 点流速

4．4 本章小结

5 潜堤周围水动力特性研究

5．1 实验布置及数模初始条件

5．2 水深0．6 m(无破碎)条件下潜堤周围水动力特性

5．2．1 波面形态的变化

5．2．1 速度场

5．2．2 压力场

5．3 水深0．5 m(破碎)条件下潜堤周围水动力特性

5．3．1 波面形态的变化

5．3．2 潜堤上波浪破碎过程

5．3．3 医力场

5．3 本章小结

6 波浪与近岸承台上垂直结构物相互作用研究

6．1 实验布置及数模初始条件

6．1．1 实验布置

6．1．2 数模初始条件设置

6．2 波浪与结构物相互作用过程

6．3 垂直结构物周围浪高信息

6．4 垂直结构物周围流速信息

6．5 本章小结

7 波浪与近岸承台上倾斜结构物相互作用研究

7．1 实验布置及数模初始条件

7．2 倾斜结构物周围浪高信息

7．3 倾斜结构物周围流速信息

7．4 承台上结构物坡度变化对周围波浪场影响

7．5 本章小结

8 结论与展望

8．1 本文工作的总结

8．2 进一步的工作展望

参考文献

个人简历

攻读硕士期间完成的学术论文及科研情况说明