波浪与近岸结构物相互作用的CIP数值模拟及实验研究

发布时间：2020-07-24 17:12

【摘要】：波浪在与近岸结构物相互作用过程中常伴随反射、折射、绕射、紊流、高次谐波的产生等复杂现象,在极端海况下还会遭遇到波面破碎、翻滚及水气掺混等强非线性自由面大变形问题。因此,利用物理模型实验加深对上述复杂现象的认识、开发适合上述现象的数学模型准确预测复杂海况下结构物周围水动力特性、波浪力和结构响应,对开展结构设计和安全防护等问题的研究具有重要的工程应用价值。本文在总结前人研究成果的基础上,开展不同水深条件下,不同尺度规则波和孤立波与近岸结构物相互作用的实验研究和数值模拟。首先,在宽断面波浪水槽内开展波浪与潜堤、水下承台上垂直和倾斜结构物相互作用的实验研究,着重研究不同水深条件下,不同尺度波浪与近岸结构物相互作用时的波浪非线性变形、波浪在结构物周围的破碎过程以及结构物周围流场及压力场等水动力特性的变化过程。其次,基于自主研发的数学模型,开展波浪与近岸结构物相互作用的数值模拟研究。本文数学模型以Navier-Stokes方程和连续性方程为控制方程,以高阶差分紧致插值曲线(CIP:Constrained Interpolation Profile Method)方法为流场的基本求解器离散Navier-Stokes方程,通过多相流理论描述固-液-气之间的相互作用,采用便于描述复杂几何外形和运动物体边界的浸入边界法处理结构物边界,并采用精度更高的改进型双曲正切函数(THINC/SW:Tangent of Hyperbola for INterface Capturing/Slope Weighting)方法进行自由面的重构。通过对二维/三维溃坝波与结构物相互作用的模拟,对模型的正确性和有效性进行了验证。基于建立的模型,开展潜堤上波浪变形、波浪对承台上结构物作用等问题的数值模拟,重点分析结构物附近的波面高程、流速信息、冲击压力等参数,数值结果与实验数据吻合良好。此外,还利用已得到验证的本文模型开展了波浪与承台上不同坡度结构物相互作用的研究,发现结构物坡度将直接影响反向涌浪的形成及大小。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TV139.2
【图文】：

实验用水

的影响发生反射、浅水作用和破碎等复杂的流固耦重结构物对波浪单一水动力学特性的影响且有波浪偏少，因此，开展近岸波浪与结构物相互作用的实验杂情况下的研究，并提供更加完整的实验数据显得为浙江大学舟山校区近海馆，实验用水槽为近海，高２．０邋ｍ）（图２．１），其最大工作水深为１．５邋ｍ。水槽配动式造波机（图２．２），造波机安装在水槽的一端，造波溅水；水槽另一端安装消能坡，用于消除波浪。该水港口工程和海洋工程建筑物的作用。逡逑

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逦（２－４）逡逑２．１．３数据采集装置逡逑波高仪（图２．３）是由大连理工大学研发和生产的，采样频率为５０邋ＨＺ。压力传逡逑感器（图２．４）为北京尚水信息技术股份有限公司制造的型号为ＳＳ－ＰＳＭＳ，量程为逡逑０？４万帕，精度为０．５％ＦＳ，采样频率为０￣１０００次／秒。流速仪是Ｎｏｒｔｅｋ公司开发逡逑和生产的，本实验用到了最大采样频率为２００邋ＨＺ和２５邋ＨＺ两种流速仪（图２．５）。逡逑ＦＡＳＴＣＡＭ高速相机一台（最大采样频率１５００帧／秒）。逡逑ＩＩ逡逑

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【参考文献】