圆柱镂空型人工鱼礁波流水动力特性数值研究

发布时间：2020-05-29 01:21

【摘要】：近些年来,人类对海洋资源的掠夺和海洋环境的污染加剧,造成渔业资源的逐渐衰退。海洋牧场建设过程中证实了人工鱼礁对渔业资源的恢复和保护发挥了重要作用,并且还使近海的海洋生态环境得到改善。人工鱼礁水动力特性包含人工鱼礁的流场效应和安全稳定性两个方面的内容。人工鱼礁的流场效应关系到人工鱼礁产生的生态效应,而人工鱼礁的安全稳定性关系到人工鱼礁的使用寿命及人工鱼礁是否能正常的发挥作用。在复杂的海洋环境中,人工鱼礁在海底会受到波浪和水流的共同作用,研究波流共同作用下的人工鱼礁水动力特性更符合实际情况,可为人工鱼礁的设计、评估人工鱼礁产生的生态效应提供更准确的理论依据。本文根据边界造波法的原理,利用FLUENT软件建立了可以分别模拟单独水流、单独波浪及波流作用下人工鱼礁水动力特性的三维数值波流水槽。通过该数值模型模拟了7种波流组合中单独波浪、单独水流及波流作用下圆柱镂空型人工鱼礁的受力及其周围的流场。将数值模拟得到7种不同波流工况的受力情况与对应工况下物理模型实验的结果进行了对比分析,验证了此数值模型模拟人工鱼礁水动力特性的可行性。根据数值模拟的受力结果,对波流联合作用下水动力系数进行了分析;同时对7种波流工况下圆柱镂空型人工鱼礁的稳定性也进行了校核。根据数值模拟得到的人工鱼礁周围流场的结果,对在单独水流、单独波浪和波流分别作用下圆柱镂空型人工鱼礁周围的流场进行分析;也研究了不同流速水流和不同波流组合对圆柱镂空型人工鱼礁背涡流的影响。
【图文】：

波面,流水槽,造波,自定义函数

图 3.1 数值波流水槽的设置Fig.3.1 Setting of numerical wave-current flume在 Fluent 软件的设置中，通过自定义函数（UDF）给定入口边界处波浪的速度场函数和波面方程，从而实现边界造波的目的。本文采用边界造波法，在速度入口边界上，根据波面方程（式（3.1）），利用自定义函数给定波面高度；根据二阶 Stokes 波浪的速度函数（式（3.2）），利用自定义函数给定入口边界处波浪速度的表达式。在压力出口边界上根据水位高度用自定义函数对出口压力进行设置。波流共同作用下的流速场水平流速可用波浪与水流二者水平流速值相叠加而得[51]。因此，可以将水槽入口处作为波浪和水流相互作用的起始位置，给出波浪和水流相叠加的边界条件，即将上述边界造波中的速度函数式（3.2）改成式（3.3），其他条件不变，即可达到造波流的目的。此外，，边界造波法还可以模拟均匀流，原理同上，通过在速度入口边界上给定水面高度和水流流速，即可使数值水槽实现造均匀流。 23coshη cos 2 cosh2 cos22 16sinhH kH kdkdkd (3.1)

水槽,网格划分,数值,流水槽

图 3.2 数值水槽网格划分Fig.3.2 Mesh of the numerical wave-current tank3.4 数值波流水槽模拟与理论验证为了验证数值波流水槽能准确的模拟波浪和波流。如表 3.1 所示，本文选取了两组波流工况，对算例中的单独波浪和波流进行数值模拟，将模拟得到波面历时曲线与理论波面历时曲线进行对比，验证数值波流水槽模拟出的波浪和波流是否准确。表 3.1 水槽验证波浪和水流参数Tab.3.1 Wave and current parameters of flume工况水深/m 周期/s 波高/m 流速/(m/s)1 0.5 1.2 0.06 0.12 0.5 1.4 0.10 0.23.4.1 数值波流水槽模拟波浪与理论验证
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：S953.1

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