孤立波作用下排柱附近水动力学特性数值研究

摘要

排柱式建筑物在近海工程中的应用越来越广泛，而对于其在极端波况条件下附近水动力特性的研究目前仍较少，且主要以物理实验模型为主，未能完全获得模型附近的水动力特性信息。本文利用OpenFOAM开源程序包作为数值模拟工具，基于不可压缩Navier-Stokes方程，利用修正体积分数法捕捉自由液面，并耦合分离涡紊流方法中的Spalart-Allmaras DDES模型，建立孤立波与排柱间相互作用的三维水动力数学模型。通过开展相应的物理模型实验，获得排柱模型附近准确和完整的水动力特性信息，并以此对数学模型的可靠性进行验证。之后本文对非破碎孤立波作用下排柱和单柱、不同间隙比条件下排柱和破碎孤立波作用下不同排柱模型位置等条件下模型附近的水动力特性进行数值模拟研究，对比分析各工况条件下自由液面、水流结构、动水压强和波浪力等水动力特性的变化规律，探讨模型附近的能量耗散机理和受力特性，为今后单排圆柱式建筑物在近海工程的实际应用提供一定的理论参考。
　　通过对比实验和数值计算结果，发现数值模型可以准确模拟孤立波与排柱相互作用过程中水动力特性的变化，能够精确捕捉到模型附近自由液面复杂的三维特征、间隙内高速水流的分离现象和柱后大尺度的尾涡结构。排柱附近的水动力特性变化规律相比单柱模型更为复杂，自由液面三维特征显著，间隙内排柱表面出现较强的水流分离现象，尾涡尺度和紊动强度均大于单柱。间隙比的不同直接影响到间隙内水体的流速大小，导致柱后水流的紊动特性出现不同，能量耗散差异明显，从自由液面上表现为排柱模型不同的消波性能。破碎点位置附近孤立波作用下排柱附近的水动力变化的复杂程度和能量耗散机理与非破碎波下相比明显不同，作用过程中耦合了建筑物的阻水作用和波浪的浅水波变形特征，水动力特性变化具有明显的涌波作用特征。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 研究现状

1．2．1 数值方法研究

1．2．2 排桩式建筑物附近水动力特性研究

1．2．3 小结

1．3 论文主要内容

第二章 数值模型

2．1 引言

2．2 控制方程

2．2．1 Navier-Stokes方程

2．2．2 体积分数输运方程

2．3 紊流模型

2．3．1 雷诺时均模型

2．3．2 大涡模型

2．3．3 分离涡模型

2．4 数值求解方法

2．4．1 离散格式

2．4．2 PIMPLE算法

2．5 边界条件

2．5．1 造波和消波边界

2．5．2 其他边界条件

2．6 数值稳定性

2．7 本章小结

第三章 数值模型验证

3．1 引言

3．2 物理模型实验

3．2．1 实验设备

3．2．2 实验布置

3．2．3 重复性验证

3．3 数值模型验证

3．3．1 模型设置

3．3．2 造波验证

3．3．3 模型验证

3．4 本章小结

第四章 孤立波作用下排柱附近水动力特性数值研究

4．1 引言

4．2 排柱与单柱条件下模型附近水动力特性研究

4．2．1 自由液面

4．2．3 水流结构

4．2．3 水动力荷载

4．3 不同间隙比条件下排柱模型附近水动力特性研究

4．3．1 消波性能

4．3．2 水流结构

4．3．3 水动力荷载

4．4 破碎区排柱模型附近水动力特性研究

4．4．1 自由液面

4．4．2 波能耗散机理

4．4．3 时空流速分布

4．4．4 水动力荷载

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间发表论文目录

附录B 攻读学位期间参加科研情况说明