波流耦合作用下气幕防波堤消波行为特性研究

发布时间：2017-07-03 00:04

  本文关键词：波流耦合作用下气幕防波堤消波行为特性研究

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【摘要】：防波堤是为了保护港口免受外界环境的影响、便于船舶作业和安全停泊而修建的水工结构建筑物,它是人工方法掩护沿海港口、码头的重要结构之一。气幕防波堤是防波堤的一种特殊形式,与固定式防波堤相比具有可移动性、可重复使用性、基本不受水深和地质条件限制等优势,在水运、水产养殖、军事方面都有很好的应用前景。为深入研究气幕防波堤的消波特性,本文建立了波流耦合作用下立面二维气幕防波堤数学模型和室内实验模型。将空气和水看成是一种变密度单流体,视空气为不可压缩气体,利用连续方程和N-S方程求解水气运动,采用VOF方法追踪自由波面。在数值水槽底部设置速度进、出口边界生成水平流。利用UDF添加源项模拟气泡帷幕。基于推板式造波法和阻尼消波法,建立并验证了波流耦合作用下立面二维气幕防波堤数学模型。进而,利用数学模型对静水条件下、纯波浪条件下以及波流耦合作用下的气幕运动进行了相关计算与分析。分析结果表明：(1)波流耦合作用下,气幕防波堤的消波机理主要是在水面处产生的一定厚度的相反方向的水平流,迎浪一侧的水平流使得波浪水质点固有的运动轨迹遭到破坏,促使波浪破碎、波能减小,导致透射波高的衰减,这与单纯波浪条件下一致；(2)波流耦合作用下,透射系数随供气量和管道埋深的增大而分别减小,随入射波周期和波高的增大而分别增大,这与单纯波浪情况下一致；(3)波流耦合作用下,其它参数一定的情况下,当正向(或逆向)断面平均流速接近某一较小值时,透射系数最小,消波性能最好。研究结果可以为气幕防波堤的设计和应用提供一定的参考依据。
【关键词】：气幕防波堤 数值模拟 波流耦合 透射系数
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U656.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 1 绪论11-19
• 1.1 研究背景和意义11-14
• 1.2 国内外研究现状14-18
• 1.3 本文研究工作18-19
• 2 物理模型实验19-27
• 2.1 实验布置19-20
• 2.2 实验仪器与设备20-24
• 2.2.1 空气压缩机20-21
• 2.2.2 SIARGO MF5700气体质量流量计21-22
• 2.2.3 喷气管模型22
• 2.2.4 造波机22-23
• 2.2.5 流速仪23-24
• 2.3 实验数据及分析24-26
• 2.4 本章小结26-27
• 3 气幕防波堤的立面二维数学模型27-46
• 3.1 气幕防波堤数学模型的建立28-34
• 3.1.1 控制方程28-29
• 3.1.2 初始条件和边界条件的确定29-30
• 3.1.3 造波、消波设置30-32
• 3.1.4 水平流与气泡帷幕的产生32-33
• 3.1.5 网格划分33-34
• 3.2 建立离散方程34-35
• 3.3 求解离散方程35-38
• 3.4 计算流体力学软件介绍38-39
• 3.4.1 FLUENT38
• 3.4.2 PHOENICS38-39
• 3.4.3 CFX39
• 3.4.4 STAR-CD39
• 3.5 判断解的收敛性39
• 3.6 用户自定义函数39-40
• 3.7 数学模型的验证40-45
• 3.7.1 纯波浪条件下40-42
• 3.7.2 波流耦合作用下42-45
• 3.8 本章小结45-46
• 4 波流条件下气幕防波堤消波特性影响因素及规律46-78
• 4.1 气幕防波堤水力要素的时空分布46-63
• 4.1.1 数学模型的应用46-48
• 4.1.2 静水中的气幕运动48-53
• 4.1.3 波浪中的气幕运动53-56
• 4.1.4 波流耦合作用下的气幕运动56-61
• 4.1.5 波流耦合作用下的气幕防波堤波能分析61-63
• 4.2 气幕防波堤消波性能影响因素分析63-76
• 4.2.1 气幕防波堤自身结构因素的影响63-69
• 4.2.1.1 供气量的影响63-65
• 4.2.1.2 管道埋深的影响65-69
• 4.2.2 入射波要素的影响69-73
• 4.2.2.1 入射波周期的影响69-71
• 4.2.2.2 入射波波高的影响71-73
• 4.2.3 气幕防波堤透射系数的拟合方程73-74
• 4.2.3.1 纯波浪条件下73-74
• 4.2.3.2 波流耦合作用下74
• 4.2.4 逆向流对气幕防波堤的作用74-76
• 4.3 本章小结76-78
• 5 结论与展望78-80
• 5.1 结论78
• 5.2 创新点78
• 5.3 今后工作展望78-80
• 参考文献80-84
• 附录84-87
• 致谢87-88
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果88

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本文编号：511702