基于OpenFOAM的孤立波与多孔介质海堤相互作用的数值模拟研究
发布时间：2021-11-15 01:35
近年来海啸等极端自然灾害频繁出现,对沿岸地区建筑物和人民的生命财产安全造成了严重的损失。近岸海堤结构物对于波浪水体的阻力效应能够有效消减波能,防御外海波浪对掩护海域的侵袭,而垂直多孔结构作为传统防波堤的有效替代品,可以更有效地减少海浪对沿岸和近海建筑物的冲击,在保护渔港、码头和控制河口或湖泊附近的岸线侵蚀等方面越来越多的受到欢迎。以往研究中常采用孤立波来概化模拟海啸波的运动特性,因此开展孤立波作用下近岸多孔介质海堤消浪机理和结构荷载的研究具有重要现实意思和工程应用价值,可为近岸建筑物基础防护、海岸防灾减灾等问题提供了一定的理论依据。本文首先基于OpenFOAM开源程序包中虑孔隙介质流的IHFOAM求解器,建立了孤立波与近岸多孔介质海堤相互作用的三维水动力数值模型,并应用物理实验数据对模型的精度和可靠性进行验证,结果表明本文所建立的数值模型能够较好的捕捉孤立波与近岸多孔海堤相互作用过程中的水动力变化。随后考虑波高、水深、孔隙率、堤顶高度、海堤位置和岸滩坡度的影响,针对海堤的消浪特性,探讨了反射、透射和波高消减系数的变化规律;针对海堤所承受的波浪荷载,探讨了最大波浪力、孔隙水压力、越浪压力...
【文章来源】：长沙理工大学湖南省
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１海啸灾难现场图（图源：百度）??海啸到达沿岸时，由于水深减＇■！、，波能不断聚集，波咼迅速增大，最大＂］达??
?硕士学位论文???：?／ｒ．、??＼＾ｐ??图２．１计算区域离散??在求解Ｎ－Ｓ方程过程中将守恒形式的Ｎ－Ｓ方程在每个单元控制体上进行积??分，积分转换后将单元所有面积分求和，作为该单元体中心上的值，从而将控制??单元体积分方程转化为用单元体中心值表示的代数方程。对于某一矢量ａ和标量??０，其在控制体ｉ上的积分转换形式如下：??Ｊ?Ｖ?？?ａｄＶ?＝?ｊ＂?ｄＡ?■?ａ?＝?［?（２．１８）??Ｊ?ＶａｄＶ?＝?Ｊ＾?＾ｆａｆ?（２－１９）??Ｌ?▽，＝?｜严?０?Ｚ?今令?（２．２０）??式中，矢量和标量＆为单元面中心值，由单元体中心值插值获得。则对控??制体离散后通用代数方程为：??ａＰ＜ｊ＞Ｐ?＋?＝?（２．２１）??Ｎ??式中，上标《为当前时刻值，＆和￣为单元本身和相邻单元的矩阵系数，＆??为源项，上式表明单元自身的参数值０；：与相邻单元的参数值有关。对于计??算域内任一控制单元均可采用积分转换方法得到形如式（２．２２）的控制方程，联??立所有单元的控制方程，可得到一个矩阵方程：??［Ｓ］⑷＝?［Ｒ］?（２．２２）??式中，［Ｓ］是一个稀疏矩阵，对角元素是单元自身的矩阵系数，非对角元??素是相邻单元的矩阵系数ａｖ；［列和［Ｒ］分别是Ｎ维的参数和源项矩阵。基于上??述离散方法对计算模型的控制方程进行空间离散，则对流项离散结果为：??１４??
?硕士学位论文???Ｓ?ｍｉｎ（＾｜＾）?（２．４６）??综上四个控制条件，时间步长应该满足：??Ａｔ?＜?ｍｉｎ（Ａ／ｃｙ？，?Ａｔｕ，?Ａｔａ，?Ａ／？）?（２．４７）??２．８数值模型验证??２．８．１孤立波传播稳定性验证??三维水动力数值模型建立后，首先选取基本工况（／／＝０．０９ｍ，／？＝０．３５ｍ）采用??平底波浪水槽对数值造波稳定性进行验证。为获取沿程波面的变化，在波浪水槽??沿程设置了四个自由液面监控点，相邻监控点间隔为ｌｍ。如图２．２为数值水槽??中不同监控点位置的波面历时变化，并与冯璐的实验值进行对比，从图中可以??看出通过数值方法获得的孤立波波面变化与物理实验值吻合较好，且数值计算域??内孤立波波高沿程几乎无衰减，表明该数值模型能够很好的模拟孤立波在传播过??程中的色散性和非线性，可用于后文的研宄。??０．６０?｜?．?．?．???￡?Ｍｋ??０．３５??°＇Ｊ〇?１２?３?４?５??ｔ?（ｓ）??图２．２孤立波造波稳定性验证??２．８．２孤立波沿斜坡传播模型验证??针对本文的研宄内容，可靠的近岸波浪动力模型是保证计算结果真实可靠的??前提和基矗本研究中数值波浪水槽尽量模拟物理实验模型ｍｉ的设置，为节省计??算资源，将计算域沿水槽长度方向设置为１２．５ｍ，水深方向设置为０．８ｍ，水槽宽??度方向设为〇．５ｍ，如图２．３所示。沿水槽长度方向设为ｘ方向，水槽宽度方向设??为ｙ方向，水深方向为ｚ方向，原点位置设于坡脚处。采用结构化网格离散数值??计算区域，在ｚ方向上对底部边界层网格进行加密，在距离床面底部０．１ｍ的范??围内网格尺度从办＝０．０００５逐渐增加到办
【参考文献】：
期刊论文
[1]孤立波作用下岸滩剖面变化成因的水动力数值分析[J]. 蒋昌波,邓涯,陈杰,邓斌,刘静,沈超. 水动力学研究与进展A辑. 2014(06)
[2]基于分层Boussinesq类模型的深水波数值模拟[J]. 余向军,张永刚. 海洋技术. 2010(04)
[3]孤立波与多孔介质结构物的非线性相互作用[J]. 刘桦,王本龙. 力学季刊. 2000(02)
[4]不规则波在抛石基床中的渗流对墩柱的作用[J]. 邱大洪,杨钢. 海洋学报(中文版). 1997(03)
博士论文
[1]海啸波生成、传播与爬高的数值模拟[D]. 赵曦.上海交通大学 2011
本文编号：3495762
【文章来源】：长沙理工大学湖南省
【文章页数】：99 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
图１．１海啸灾难现场图（图源：百度）??海啸到达沿岸时，由于水深减＇■！、，波能不断聚集，波咼迅速增大，最大＂］达??
?硕士学位论文???：?／ｒ．、??＼＾ｐ??图２．１计算区域离散??在求解Ｎ－Ｓ方程过程中将守恒形式的Ｎ－Ｓ方程在每个单元控制体上进行积??分，积分转换后将单元所有面积分求和，作为该单元体中心上的值，从而将控制??单元体积分方程转化为用单元体中心值表示的代数方程。对于某一矢量ａ和标量??０，其在控制体ｉ上的积分转换形式如下：??Ｊ?Ｖ?？?ａｄＶ?＝?ｊ＂?ｄＡ?■?ａ?＝?［?（２．１８）??Ｊ?ＶａｄＶ?＝?Ｊ＾?＾ｆａｆ?（２－１９）??Ｌ?▽，＝?｜严?０?Ｚ?今令?（２．２０）??式中，矢量和标量＆为单元面中心值，由单元体中心值插值获得。则对控??制体离散后通用代数方程为：??ａＰ＜ｊ＞Ｐ?＋?＝?（２．２１）??Ｎ??式中，上标《为当前时刻值，＆和￣为单元本身和相邻单元的矩阵系数，＆??为源项，上式表明单元自身的参数值０；：与相邻单元的参数值有关。对于计??算域内任一控制单元均可采用积分转换方法得到形如式（２．２２）的控制方程，联??立所有单元的控制方程，可得到一个矩阵方程：??［Ｓ］⑷＝?［Ｒ］?（２．２２）??式中，［Ｓ］是一个稀疏矩阵，对角元素是单元自身的矩阵系数，非对角元??素是相邻单元的矩阵系数ａｖ；［列和［Ｒ］分别是Ｎ维的参数和源项矩阵。基于上??述离散方法对计算模型的控制方程进行空间离散，则对流项离散结果为：??１４??
?硕士学位论文???Ｓ?ｍｉｎ（＾｜＾）?（２．４６）??综上四个控制条件，时间步长应该满足：??Ａｔ?＜?ｍｉｎ（Ａ／ｃｙ？，?Ａｔｕ，?Ａｔａ，?Ａ／？）?（２．４７）??２．８数值模型验证??２．８．１孤立波传播稳定性验证??三维水动力数值模型建立后，首先选取基本工况（／／＝０．０９ｍ，／？＝０．３５ｍ）采用??平底波浪水槽对数值造波稳定性进行验证。为获取沿程波面的变化，在波浪水槽??沿程设置了四个自由液面监控点，相邻监控点间隔为ｌｍ。如图２．２为数值水槽??中不同监控点位置的波面历时变化，并与冯璐的实验值进行对比，从图中可以??看出通过数值方法获得的孤立波波面变化与物理实验值吻合较好，且数值计算域??内孤立波波高沿程几乎无衰减，表明该数值模型能够很好的模拟孤立波在传播过??程中的色散性和非线性，可用于后文的研宄。??０．６０?｜?．?．?．???￡?Ｍｋ??０．３５??°＇Ｊ〇?１２?３?４?５??ｔ?（ｓ）??图２．２孤立波造波稳定性验证??２．８．２孤立波沿斜坡传播模型验证??针对本文的研宄内容，可靠的近岸波浪动力模型是保证计算结果真实可靠的??前提和基矗本研究中数值波浪水槽尽量模拟物理实验模型ｍｉ的设置，为节省计??算资源，将计算域沿水槽长度方向设置为１２．５ｍ，水深方向设置为０．８ｍ，水槽宽??度方向设为〇．５ｍ，如图２．３所示。沿水槽长度方向设为ｘ方向，水槽宽度方向设??为ｙ方向，水深方向为ｚ方向，原点位置设于坡脚处。采用结构化网格离散数值??计算区域，在ｚ方向上对底部边界层网格进行加密，在距离床面底部０．１ｍ的范??围内网格尺度从办＝０．０００５逐渐增加到办
【参考文献】：
期刊论文
[1]孤立波作用下岸滩剖面变化成因的水动力数值分析[J]. 蒋昌波,邓涯,陈杰,邓斌,刘静,沈超. 水动力学研究与进展A辑. 2014(06)
[2]基于分层Boussinesq类模型的深水波数值模拟[J]. 余向军,张永刚. 海洋技术. 2010(04)
[3]孤立波与多孔介质结构物的非线性相互作用[J]. 刘桦,王本龙. 力学季刊. 2000(02)
[4]不规则波在抛石基床中的渗流对墩柱的作用[J]. 邱大洪,杨钢. 海洋学报(中文版). 1997(03)
博士论文
[1]海啸波生成、传播与爬高的数值模拟[D]. 赵曦.上海交通大学 2011
本文编号：3495762
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