规则波与不规则波的海堤越浪数值模拟

发布时间：2017-09-26 00:24

  本文关键词：规则波与不规则波的海堤越浪数值模拟

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【摘要】：传统的海堤研究方法以实验为主,通过物理波浪水槽,修改不同的海堤断面型式,对比不同海堤断面越浪效果,能够取得相当的成效。但是物模实验成本较大,各种工况和海堤型式错综复杂,需要耗费大量人力物力,以及大量时间。近年来,计算技术和计算机技术有了长足发展,数值模拟方法被广泛地应用于海堤越浪研究中。本文应用成熟的计算流体力学软件Flow-3D,基于RANS方程,采用VOF法处理自由表面追踪问题,以RNG k-ε模型模拟紊流,并使用孔隙结构理论进行消波的方法来建立数值波浪水槽。通过不同的参数组合,成功建立具有一定实际应用价值的规则波二维、三维数值波浪水槽以及不规则波三维数值波浪水槽。通过波面对比,海浪谱对比以及加入椭圆浅滩的算例验证建立数值波浪水槽有效性。结果表明,数值模拟结果和理论值或者实验实测值基本吻合,表明本文建立的数值波浪水槽可以应用于海堤越浪数值模拟工作。针对广东省水科院开展的不规则波在复式海堤上越浪的物理模型试验,利用本文建立的不规则波三维数值水槽,进行探究不同型式海堤上不同工况的越浪量工作。从下坡陡、上坡陡和中间平台长度评估影响海堤挡水性能的因素。经过与实验数据对比,可以发现模拟的三维不规则波与海堤相互作用较为准确。另外还发现,堤前水深相对较大时,越浪随着陡墙坡比增加而显著增加。越浪数值模拟还详细探究了规则波和不规则波越浪过程的流场分布特征,深入分析越浪过程流场分布变化。模拟结果表明,本文所使用的方法在海堤越浪数值模拟上有着较高的实用价值。
【关键词】：越浪 数值波浪水槽 规则波 不规则波 Flow-3D
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TV139.2
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-26
• 1.1 研究背景和意义10-15
• 1.2 波浪理论简介15-19
• 1.2.1 规则波简介16-18
• 1.2.2 不规则波理论简介18-19
• 1.3 国内外海堤越浪的研究现状及进展19-21
• 1.4 数值波浪水槽与海堤越浪数值模拟研究进展21-24
• 1.5 本文主要工作24-26
• 第二章 基于Flow-3D的波浪数值模拟方法26-42
• 2.1 Flow-3D网格特征26-27
• 2.2 波浪运动模型27-28
• 2.3 紊流模型28-30
• 2.4 边界条件30-33
• 2.4.1 造波边界30-32
• 2.4.2 自由出流边界32-33
• 2.4.3 自由表面边界33
• 2.4.4 其他边界条件33
• 2.5 自由表面处理方法33-36
• 2.6 方程离散方法36-39
• 2.7 GMRES算法求解离散方程39-41
• 2.8 本章小结41-42
• 第三章 基于Flow-3D的波浪数值模拟水槽的建立42-51
• 3.1 数值水槽几何和网格划分42-43
• 3.2 边界条件43
• 3.3 初始条件43-44
• 3.4 消波处理方法44-45
• 3.4.1 Forchheimer饱和阻力模型45
• 3.4.2 消波介质参数及外形几何确定的说明45
• 3.5 数值水槽造波效果分析45-47
• 3.6 三维椭圆浅滩波浪折射和绕射模拟47-50
• 3.7 本章小结50-51
• 第四章 规则波海堤越浪数值模拟51-60
• 4.1 模型概况51-52
• 4.2 模型建立过程52
• 4.3 越浪模拟及越浪过程分析52-56
• 4.4 结果对比分析56-59
• 4.5 本章小结59-60
• 第五章 不规则波复式海堤越浪数值模拟探索60-79
• 5.1 不规则波造波方法60-62
• 5.1.1 Pierson-Moskowitz（P-M）谱不规则波造波方法61
• 5.1.2 JONSWAP谱不规则波造波方法61-62
• 5.1.3 自定义波浪谱62
• 5.2 复杂断面海堤越浪模型试验62-64
• 5.2.1 物理模型实验及其简介62
• 5.2.2 物理模型实验水槽构造62-63
• 5.2.3 海堤断面型式63-64
• 5.3 复杂断面海堤越浪数值模拟方案64-67
• 5.3.1 不规则波数值水槽64-66
• 5.3.2 不规则波波浪水槽越浪过程66-67
• 5.4 结果对比分析方法67
• 5.5 复式断面海堤越浪过程流场分析67-75
• 5.6 越浪量与物模实测值对比分析75-77
• 5.7 本章小结77-79
• 第六章 结论与展望79-81
• 6.1 结论79-80
• 6.2 展望80-81
• 参考文献81-87
• 攻读硕士学位期间取得的研究成果87-88
• 致谢88-90
• 答辩委员会对论文的评定意见90

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本文编号：920449