波浪作用下建筑物附近水体掺气特性研究

发布时间：2020-10-26 14:03

　　 波浪由外海传播到海岸附近,在地形和建筑物的影响下,波浪将发生与建筑物的相互作用。同时波浪与建筑相互作用引起水流强烈的紊动和翻滚,伴随着大量空气的卷入,形成大量气泡。波浪与建筑物作用后大量能量的耗散,掺气后可能对建筑物的损害加重,对工程实践及环境问题有一定的影响。因此,研究浪作用下建筑物附近掺气特性对于解决近岸区域的工程实践问题和环境问题有十分重要的现实意义。本研究通过开展大量水槽实验探讨波浪作用下近岸建筑物附近掺气的特性,采用光滑斜坡定床模型概化近岸地形及建筑物,以规则波和孤立波作为入射波,研究建筑物附近气泡的产生、演变以及输运过程,分析规则波作用下气泡的大小、数量及空隙率的分布,探求气泡的分布、输运特性。同时基于OpenFOAM开源代码建立了三维精细水动力数学模型,开展相应的数值模拟研究,在模型验证的基础上,运用数值模型探讨了波浪作用下建筑物附近气泡的演化,分析了建筑物附近流速、涡量、湍流动能分布的特点及其与气泡演化的联系,结果表明:规则波作用下建筑物附近气泡粒径遵从p∝dα分布,气泡的弦长d与概率密度p之间存在明显的幂指数关系。随着气泡粒径的增大气泡概率密度呈e指数衰减。以Hinze特征尺度为分界,气泡粒径分布遵循不同的分布规律,当气泡尺度大于Hinze特征尺度时,气泡容易受到湍流和剪切流的影响而发生破裂,小于该尺度的气泡则由于表面张力而保持相对稳定,本实验Hinze特征尺度约为2 mm。涡结构与气泡演化之间存在复杂的相互作用,气腔在剪切流中的演化经历了气腔的破碎、融合及溢出水面等过程。时间平均空隙率和时间平均湍流动能具有线性关系,同时湍流动能与气泡数显示线性关系。对于孤立波作用下建筑物附近气泡的演化情况,建筑物上方的气泡云一般要经历气泡云初生、发展、消散三个阶段。建筑物上方漩涡从生成到消散也分成三个阶段,漩涡生成阶段与气泡云初生阶段在空间和时间上完全吻合,漩涡的生成催生了气泡云的出现,漩涡的发展阶段与气泡云发展阶段基本吻合,说明涡核对气泡云的收聚及分离涡对气泡云的分裂起到至关重要的作用。建筑物顶部气泡云的直径分别与其附近压力及湍流动能成线性关系,湍流能越大气泡云直径越大,负压越大气泡云直径越大。
【学位单位】：长沙理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TV139.26
【部分图文】：

Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，采用流体体积函数输运方程（ＶＯＦ方法）捕捉自由液面变化，耦合??ＬＥＳ湍流方法，建立波浪与建筑物相互作用的三维水动力数值模型。??２．?２物理实验概述??２．?２．１实验仪器与设备??（１）波浪水槽与造波系统??实验在长沙理工大学水利实验中心的波浪水槽中进行，该水槽尺寸为４０?ｍｘ〇．５??ｍｘ〇．８ｍ?（长ｘ宽ｘ高）。水槽一端配有推板造波系统，该液压伺服式造波机由大连理工大??学自主研发制造。该造波机系统硬件设备和软件系统运行状态良好，能够用于模拟正弦??波、椭圆余弦波及孤立波等满足实验波浪要求。实验波浪水槽与造波系统如图２．１与图??２．２所示。??

?本实验采用德国Ｇｅｎｅｒａｌ?Ａｃｏｕｓｔｉｃ公司研发生产的超声波非接触式浪高仪，型号为??ＵＬＳ８０Ｄ?（如图２．３），该浪高仪的可测量波高范围为０－１２０?ｃｍ，采样频率为５０?Ｈｚ，浪??高仪主要由探头和电缆组成，配有一个免标定探头，如图２．４所示。本实验采用超声波??浪高仪对不同波况下离岸区、建筑物附近的波高进行测量，采用Ｕｌｒａｌａｂ浪高仪采集系??统进行数据采集。??．Ｃ｜／｜?：?５—：Ｍ＿?／?；；＾?■??遍?：，■．．．．?一??图２．３超声波浪局仪?图２．４免标定抹头??（３）

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本文编号：2857092