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用雷诺时均模型模拟孤立波、均匀流与海工结构物的相互作用

肖鸿  
【摘要】: 实际中的海岸动力环境特别复杂,一般来讲都是以波浪和水流联合作用的形式出现的,波浪、水流的联合作用对于近岸泥沙、污染物的输移以及对于海洋结构物安全性的影响,要比单纯的波或者流的作用要复杂得多。因此研究波浪和水流的相互作用机理,已成为非线性科学的前沿课题,越来越受到国内外专家学者的高度重视,并且对于开发利用海洋及其沿海资源、保护海洋环境具有重要的意义和紧迫性。 本文基于时变雷诺方程和k -ε湍流模型,采用能模拟波浪破碎的流体体积函数(VOF)方法跟踪波动自由表面,建立了可以模拟孤立波、均匀流和各种结构物相互作用的立面二维数学模型。采用能消去造波板二次反射的可吸收式数值造波机造波;在开边界处采用了适合本模型的海绵吸收方法对波流进行吸收;对自由表面的处理,采用精度较高的Youngs算法计算网格内的流体体积函数的值,在网格内用斜线段重构自由表面。 雷诺方程的求解采用两步投影法:第一步,不考虑压强梯度对速度场的贡献,即在动量方程中略去压力梯度项,且时间项采用时间向前差分,得到中间速度场。第二步将此速度场向无散度的空间投影,得到满足连续性方程的流场。为了验证模型在计算流体作用力、造波性能和自由面模拟等方面的准确性,本章分别用圆柱绕流、孤立波造波和孤立波在斜坡上的爬高等算例进行了验证,数值结果与实验结果符合较好。 利用本文建立的数学模型,对孤立波、均匀流分别在顺流、逆流情况下与处于不同水深的圆形潜堤的相互作用进行了模拟,分析了自由表面对圆柱的水动力学特性的影响,以及圆柱附近的波面变化过程以及流动结构的变化过程。计算方法和计算结果对海底管线、排污管道的设计施工有一定的参考价值。


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