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半圆型防波堤水动力学特性数值模拟的理论、方法和应用

袁德奎  
【摘要】:半圆型防波堤是一种具有很好的推广应用前景的新型防波堤结构,自从在天 津港工程和长江口深水航道治理工程中得到应用后,我国已经在设计和施工中积 累了丰富的经验,但对这种新型防波堤的水动力学特性、波浪与半圆型防波堤相 互作用的力学机制以及相应的数值模拟方法还缺乏系统的研究。 本文通过理论分析和物理模型实验观察,研究了非线性水波与半圆型防波堤 相互作用的力学机制,提出了模拟非线性水波与半圆型防波堤相互作用的数学模 型。针对非线性水波与半圆型防波堤相互作用时可能出现的破碎和动边界等问 题,开发了相应的数学模型及数值处理技术。考虑到半圆型防波堤复杂的几何外 形,建立了基于边界单元和有限差分的有良好边界适应性的混合数值求解方法。 对数学模型、数值处理技术和相应的数值求解方法进行了有效的集成,并用其对 新型半圆型防波堤的水动力学特性进行了系统的研究。 水波与防波堤的相互作用是一个局部的水动力学现象,长期以来许多研究工 作都从势流理论出发而忽略了粘性的影响。本文通过大量实验资料的观察分析和 数值实验,发现即使是在淹没条件下,堤身附近仍可能发生波浪破碎,出现剧烈 的涡旋,堤身附近的流动不能完全用势流理论描述。为模拟波浪爬坡或越过结构 物时可能发生的破碎现象,基于能量耗散的概念建立了模拟波浪破碎的模型,在 破碎发生时,用能量耗散项对势流理论进行了修正。 对于中、低水位条件下波浪越过防波堤时可能出现的动边界问题,本文用“交 点跟踪”和“薄层水”相结合的方法进行了处理。为保证开边界处实现无反射, 采用了海绵边界层与线性放波条件相结合的复合消波技术。为方便开边界的处 理,采用了在计算域中添加源项的方法造波。将数学模型、数值处理技术和数值 求解方法有机地整合成为一个完整的非线性水波与半圆型防波堤相互作用的数 值模拟系统,并用大量的解析解和实验数据对其进行了系统、严格的验证。特别 用半圆型防波堤的物理模型实验结果对数学模型进行了波浪力分布、总波压力、 抗滑稳定系数、透射和反射系数等方面的验证。验证结果表明本文建立的数学模 型能够有效、准确地模拟波浪与结构物的相互作用。 用本文建立的数学模型针对半圆型防波堤开展了系统的数值试验,研究了半 圆型防波堤的水动力学特性,分析了防波堤对波浪传播的影响以及波浪对防波堤 的作用,总结出了总波浪压力、透射和反射系数的变化规律。 为方便工程实际的应用,总结出了作用于半圆型防波堤上的总波浪力的简化 WP=4 摘 要 计算公式。该简化计算公式包含了堤顶淹没、半淹没和出水三种状态。结合新的 物理模型实验数据和数值模拟结果对已有的计算透射和反射系数的经验公式进 行了改进和扩展。


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