矩形方箱浮式防波堤水动力特性数值模拟研究

发布时间：2017-04-23 09:12

  本文关键词：矩形方箱浮式防波堤水动力特性数值模拟研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：矩形方箱浮式防波堤对于不同波长的波浪所表现出的消浪性差异很大,波浪波长越大,消浪性越差。许多学者采用物理模型与边界元数值模拟等方法对此进行研究,虽已取得了一些成果,但主要集中在浮堤的运动响应与消浪性关系上,却缺少针对流体的研究,比如研究其流场结构、动水压强与消浪关系。随着计算机与CFD(计算流体力学)技术的不断发展,数值波浪水池技术不断成熟并被广泛应用,该方法为研究波浪与浮式结构物相互作用问题提供了新思路和新工具。相比于物理水槽,数值波浪水池更省时省力,并且避免了比尺效应,更为重要的是基于N-S方程的数值波浪水池可以模拟出波浪的变形、破碎等非线性问题,这点对研究波浪与浮体相互作用的运动流固耦合问题具有重要意义。本文首先建立基于边界元的数值模型,模型经验证后对不同相对宽度下(浮式防波堤宽度W与波长L之比)方箱浮式防波堤进行模拟,以初步分析相应工况的运动规律,为后面流固耦合模型提供支持。其次基于FLUENT软件,采用RANS k-ε湍流模型及VOF方法进行气液两相流计算,根据解析松弛造波法原理及阻尼消波原理,利用UDF功能编译程序成为附加源项,从而建立粘性数值波浪水池。计算结果表明:利用动量源项造消波法所建立的粘性数值波浪水池不仅可以产生高品质的波浪,也可以吸收透射波浪,更为重要的一点是可以成功消除结构物的反射辐射波,为探讨波浪与浮体作用问题提供一个稳定的波浪场。最后结合已建的粘性数值波浪水池、6DOF运动模型与全自由度分块移动网格技术建立波浪与系泊方箱浮式防波堤的流固耦合模型,模拟在不同相对宽度下系泊方箱式浮防波堤的消浪特征与流场结构、动水压力等水动力特性的关系,推导系泊系统的透浪计算公式。计算结果表明:所建立的流固耦合模型能够反映浮体运动趋势;方箱浮式防波堤受到的动水压力主要来自竖直方向;而随着波长的增加,浮堤角点附近所产生的漩涡运动变化越复杂,脱落越明显,并且方箱浮式防波堤主要的消浪过程逐渐由波能反射与波间干涉转变为紊动消能与波浪做功;透浪系数与相对宽度呈乘幂关系,即浮堤宽度一定波长较短时,透浪系数较低,波长较大时,透浪系数较大且变化速率快;浮堤经过倒角后的在长波作用下消浪效率增高,透浪系数得到进一步的降低。
【关键词】：方箱浮式防波堤 消浪性 动量源项 6DOF模型
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U656.2
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 研究背景及意义10-11
• 1.2 浮式防波堤的概述11-15
• 1.3 浮式防波堤物理模型研究15-16
• 1.4 浮式防波堤数学模型研究16-20
• 1.4.1 势流数值模拟16-17
• 1.4.2 粘性数值模拟17-20
• 1.5 本文主要研究内容20-22
• 第二章 方箱浮式防波堤基于边界元的初步分析22-37
• 2.1 基本理论22-27
• 2.1.1 基本假定22
• 2.1.2 流场线性速度势与波浪力22-25
• 2.1.3 静水恢复力25
• 2.1.4 系泊锚链25-26
• 2.1.5 规则波作用下运动响应26-27
• 2.2 数值模型验证27-33
• 2.2.1 模型设计27-28
• 2.2.2 数值模型验证28-33
• 2.3 数值模型模拟结果33-36
• 2.3.1 运动响应33-35
• 2.3.2 锚链力35-36
• 2.4 本章小结36-37
• 第三章 粘性数值波浪水池的理论基础37-47
• 3.1 控制方程37-38
• 3.1.1 质量与动量守恒方程37
• 3.1.2 RANS方程37-38
• 3.2 湍流模型38-41
• 3.2.1 标准k-ε 两方程模型39
• 3.2.2 RNG k-ε 模型39-40
• 3.2.3 Realizable k-ε 模型40-41
• 3.3 边界条件41-43
• 3.3.1 流动进口边界41-42
• 3.3.2 流动出口边界42
• 3.3.3 给定压力边界42
• 3.3.4 壁面边界42-43
• 3.4 初始条件43
• 3.5 有限体积法的数值离散43
• 3.6 自由液面捕捉—VOF43-44
• 3.7 网格划分44-45
• 3.8 动网格技术45
• 3.9 UDF功能45-46
• 3.10 本章小结46-47
• 第四章 二维数值波浪水池研究47-61
• 4.1 微幅波理论47-50
• 4.1.1 波浪运动的描述方法47
• 4.1.2 波浪运动控制方程与定解条件47-48
• 4.1.3 定解条件48-49
• 4.1.4 微幅波理论49-50
• 4.2 造消波方法50-53
• 4.2.1 造波方法51-53
• 4.2.2 消波方法53
• 4.3 数值水池的建立53-54
• 4.3.1 数值水池模型的网格及参数设置53-54
• 4.3.2 波浪数据的监测54
• 4.4 数值水池的验证54-60
• 4.4.1 造波性及后端消波区消波性验证55-58
• 4.4.2 前端消波区消波性验证58-60
• 4.5 本章小结60-61
• 第五章 方箱浮式防波堤基于粘性数值模拟的水动力分析61-87
• 5.1 流体与浮体耦合计算模型61-64
• 5.1.1 浮体运动模型61-63
• 5.1.2 系泊浮式防波堤的运动模型63-64
• 5.2 流固耦合模型建立与验证64-67
• 5.2.1 模型建立64-65
• 5.2.2 模型验证65-67
• 5.3 方箱浮式防波堤水动力特性67-86
• 5.3.1 运动响应67-68
• 5.3.2 自由液面68-71
• 5.3.3 动水压力71-75
• 5.3.4 流场结构75-86
• 5.4 本章小结86-87
• 第六章 方箱浮式防波堤消浪机理初探87-103
• 6.1 消浪机理87
• 6.2 透浪公式87-91
• 6.3 消浪性的改进91-102
• 6.3.1 设计方案91-92
• 6.3.2 运动响应92
• 6.3.3 自由液面92-94
• 6.3.4 流场结构94-101
• 6.3.5 消浪特征101-102
• 6.4 本章小结102-103
• 第七章 结论与展望103-105
• 7.1 结论103-104
• 7.2 展望104-105
• 致谢105-106
• 参考文献106-109
• 附录109-116
• 在学期间发表的论著及取得的科研成果116

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本文编号：322160