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弧形防浪墙水动力特性的试验研究与数值模拟

李雪艳  
【摘要】:弧形防浪墙与传统的直立式防浪墙相比,具有能显著减少越浪量、降低防波堤堤顶高程、增强堤防景观效果等优点,因而近年来在港口和海岸工程中得到了广泛的关注。研究成果和工程实践表明,当波浪行进到防波堤前由于受浅水变形和结构物反射作用的影响,已发生较大变形或者破碎,堤前波浪形态十分复杂。目前关于弧形防浪墙的水动力学特性还缺乏系统的研究,开展波浪与弧形防浪墙的相互作用研究具有重要的科学价值和实际意义。 本文应用物理模型试验和数值模拟相结合的手段,对不同结构型式弧形防浪墙所受到的波浪作用进行了较为系统地研究。 通过物理模型试验开展了不同参数的波浪对不同结构型式弧形防浪墙的作用研究,分别对不同结构型式的直立堤弧形防浪墙和斜坡堤弧形胸墙所受到的波浪作用的试验数据进行了统计分析,讨论了波浪压强在直立堤弧形防浪墙和斜坡堤弧形胸墙迎浪面的分布特征,以及波浪压强与入射波波高H、波浪周期T的关系;比较了不同结构型式的斜坡堤弧形胸墙上波浪压强的分布特点;分析了入射波相对波高H/d、相对波长L/d、弧形防浪墙结构型式等因素对直立堤弧形防浪墙和斜坡堤弧形胸墙迎浪面所受到的波浪力和波浪力矩的影响;讨论了斜坡坡度对斜坡堤弧形胸墙迎浪面所受到的波浪力和波浪力矩的影响。 提出了能够求解具有复杂边界形状结构物的强非线性自由表面流动问题的BFC-VOF算法。在贴体坐标系下,以连续方程和雷诺方程为基本控制方程,采用k-ε湍流模型来封闭方程组,修正了基于交错网格的贴体坐标系下的SIMPLE算法来迭代求解压力—速度场,修正了贴体坐标系下的界面跟踪方法,建立了基于BFC-VOF方法求解波浪对弧形防浪墙结构作用的数值计算模型。应用物理模型试验结果对所建立的数值模型进行了验证;通过数值计算对弧形防浪墙结构附近的流场变化特性进行了数值分析,讨论了圆弧半径对弧形防浪墙结构所受波浪力和波浪力矩的影响。


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