基于CFD的湖区风生波浪模拟及浮码头防波研究

发布时间：2020-09-14 21:08

　　我国拥有的丰富湖区资源,占世界第三位,而丰富的湖区资源在水利、航运、旅游和水电等工程领域占据非常重要的地位,但风生波浪往往对湖区船舶通航和平稳靠泊以及建筑物的安全造成威胁,有时甚至会造成巨大的经济损失和人员伤亡,故对湖区的风生波浪的研究尤为重要。随着计算机计算性能的快速发展,CFD(计算流体力学)的不断壮大,风生波浪的数值模拟已成为主要的研究手段。目前关于风生波浪数值模拟的研究,大多数都是对海域风浪的研究,而湖泊和水库等小风区风浪的研究较少。本文将理论研究与实际应用相结合,以云南省玉溪市抚仙湖深水湖泊的浮码头为例,建立湖区风生波浪数学模型,分析不同风荷载工况下湖区的波浪要素分布以及传播状况,确定不同风况作用下对湖区浮码头运行以及船舶靠泊影响的最不利情况,揭示湖区波高变化的主要影响因素,从而对湖区浮码头安全运行的最不利情况进行消波研究,将不同防波堤的消波方案的消波结果进行比较分析,最终确定防波堤最优消波方案,可为防波堤的优化优选提供参考意见,为湖区建筑物安全以及船舶航行和平稳靠泊提供安全保障。主要研究内容如下:(1)从流体力学理论出发回顾了风生波浪研究方法以及浮式防波堤结构型式和消波方法,总结了风生波浪数值模型的发展情况以及其各自模型局限性,并分析了风生波浪的生成机理以及湖区防波堤破坏的主要原因。(2)基于Mike 21 SW模型建立湖区风生波浪数学模型,并利用在国内湖区实际工程中广泛应用的莆田公式、SMB法以及规范法等经验公式对模拟结果进行验证,以证明Mike 21 SW模型在深水湖泊的可用性,分析不同风荷载工况下湖区水域的波浪条件,分别研究不同风速作用下和不同水位下湖区波高变化情况,从而揭示湖区波高变化的主要影响因素,以及确定不同风况下对湖区浮码头安全以及船舶通航产生威胁的最不利条件。(3)研究最不利风况作用下,不同浮堤布置、不同浮堤角度、不同浮堤长度、不同浮堤宽度以及不同浮堤型式等消波方案对浮堤消波效果的影响,将不同消波方案进行比较,从而提出浮式防波堤的最优布置方案,并分析最优浮堤消波方案对波浪的削减能力。
【学位单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U656.1
【部分图文】：

浮式防波堤,浮箱,型式,浮堤

造价低廉等特点。且在中等波浪条件下，消波效果显著。常见的浮箱式防波堤是由钢筋混凝土制成的长方体结构物，宽度约为 8m~12m（最宽可达 16m)，吃水深度约为 1.0m~4.0m。浮箱的挡水面积以及 B/L（堤宽与波长之比，简称为相对宽度）是箱式浮堤的消波效果的主要影响因素。即浮堤的挡水面积愈大，消波效果愈好；堤宽愈大，消波能力愈大。随着研究的逐渐深入，许多学者在此基础上对箱式浮堤的结构进行改进，提出了双浮箱式[67]、多浮箱式、浮箱-水平板式[68]、T 型、π型[69]、Y 型[70]等不同的浮箱式防波堤结构型式。Syed 等[71]根据基于边界元法的数学模型对单浮箱式、双浮箱式和三浮箱式防波堤的消浪性能进行了研究，结果表明：波浪透射系数受浮堤的垂荡运动、浮箱间距以及浮堤吃水的影响较大，即浮堤吃水深度愈大消浪效果越显著。董华洋[72]和杨彪等[73]基于试验研究得出，单浮箱－水平板式和双浮箱－双水平板式比单浮箱式浮堤的消波效果更为显著，周期对浮堤的消波效果有较大的影响，当长周期波浪作用时双浮箱－双水平板式浮堤的消浪效果较好，因其对波浪具有超强的反射作用和波能耗散作用，不同浮堤结构型式在短周期的波浪作用下消波效果差异较小。

浮式防波堤,浮筒,型式

(c)A-frame 型 (d)垂向浮筒式图 1-2 不同浮筒型式浮式防波堤许多学者在此基础上又相继提出了多浮筒式、双浮筒-水平板式、浮筒-网笼式[74]、A-frame 型[75]、垂向浮筒式[76]等不同浮筒式防波堤结构型式。2010 年肖霄等[77]基于边界元法对双浮筒-水平板式、单方箱-水平板式和双浮筒式浮堤的消波效果进行比较分析，结果表明：双浮筒-水平板式浮堤的消波效果最好，且锚链受力也较小，稳定性相对较好。2013 年高鑫等[78]提出了一种新型适用于深海工程中的板式-浮筒式防波堤结构型式，并验证了其深海中的适用性，可将其应用到实际工程当中，尤其在中波作用的水域中应用可以取得较好的消波效果，并基于边界元法对平板与浮筒的间距和浮筒厚度的消波效果进行了系统的分析，研究表明：平板与浮筒的间距、浮筒厚度总体对浮堤的透射系数的影响较小，只在特定位置有一定的变化，相对变化较小。（3）浮筏式浮筏式防波堤主要是利用浮体与水体间产生的摩擦作用，干扰波浪的水质点运动，破坏波浪内部的水流结构，以减小水面上的波浪能量，从而达到消波

浮筏,防波堤

图 1-3 浮筏式防波堤002 年吴维登等[80]提出了一个新的钢管-轮胎浮筏式防波堤，并基于消波性能的主要影响因素进行研究分析，结果表明：筏长、筏体度、筏倾斜、胸墙及其摆放位置、挡浪面积和自振频率等因素均筏式防波堤的消波效果有一定的影响，而且该结构在最不利波浪最小透射系数可低达 0.22。浮式防波堤消浪研究进展浪透射系数是指堤后透射波高与入射波高的比值，是评故浮式防的重要指标[81]。目前波浪透射系数的计算方法主要有 3 种：理论式及数值模拟。1）理论推导）Macagno 公式：1984 年 Macagno[82]基于由刚性固定的矩形浮堤越浪等假设，利用线性波理论，在考虑浮堤宽度、吃水深度、水

【参考文献】