基于OpenFOAM的孤立波与多孔介质海堤相互作用的数值模拟研究

论文摘要

近年来海啸等极端自然灾害频繁出现,对沿岸地区建筑物和人民的生命财产安全造成了严重的损失。近岸海堤结构物对于波浪水体的阻力效应能够有效消减波能,防御外海波浪对掩护海域的侵袭,而垂直多孔结构作为传统防波堤的有效替代品,可以更有效地减少海浪对沿岸和近海建筑物的冲击,在保护渔港、码头和控制河口或湖泊附近的岸线侵蚀等方面越来越多的受到欢迎。以往研究中常采用孤立波来概化模拟海啸波的运动特性,因此开展孤立波作用下近岸多孔介质海堤消浪机理和结构荷载的研究具有重要现实意思和工程应用价值,可为近岸建筑物基础防护、海岸防灾减灾等问题提供了一定的理论依据。本文首先基于OpenFOAM开源程序包中虑孔隙介质流的IHFOAM求解器,建立了孤立波与近岸多孔介质海堤相互作用的三维水动力数值模型,并应用物理实验数据对模型的精度和可靠性进行验证,结果表明本文所建立的数值模型能够较好的捕捉孤立波与近岸多孔海堤相互作用过程中的水动力变化。随后考虑波高、水深、孔隙率、堤顶高度、海堤位置和岸滩坡度的影响,针对海堤的消浪特性,探讨了反射、透射和波高消减系数的变化规律;针对海堤所承受的波浪荷载,探讨了最大波浪力、孔隙水压力、越浪压力以及冲击力系数的变化特性。最后基于上述研究结果分别提出了孤立波作用下多孔介质海堤波高消减系数和冲击力系数的经验公式。对于单因素影响下多孔海堤的消浪特性与结构荷载变化情况,当波高较小时,随波陡、相对位置、相对堤顶高度和岸滩坡度的增加其消浪效果增强、波浪荷载增大,而随相对淹没水深、孔隙率的增大而减弱;在大波高情况下,随相对淹没水深、孔隙率的增大消浪效果和波浪荷载先增强后减弱,而随相对位置、相对堤顶高度和岸滩坡度的增加逐渐增强。同时在单个影响因素一定时,多孔海堤的消浪效果更佳,所承受的波浪荷载明显小于无孔隙海堤。研究揭示了多孔海堤可更有效地消减波浪冲击维护结构稳定,为实际应用提供一定技术支持。

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摘要

ABSTRACT

第一章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 海啸波水动力特性研究现状

1.2.2 波浪与多孔结构相互作用的水动力特性研究现状

1.3 本文研究内容

第二章数值模型建立与验证

2.1 引言

2.2 控制方程

2.3 紊流模型

2.4 离散过程

2.5 数值求解

2.6 边界条件

2.7 数值稳定性

2.8 数值模型验证

2.8.1 孤立波传播稳定性验证

2.8.2 孤立波沿斜坡传播模型验证

2.8.3 孤立波作用下防波堤附近水动力模型验证

2.8.4 孤立波与多孔介质防波堤相互作用的水动力模型验证

2.9 本章小结

第三章多孔介质海堤水动力特性数值研究

3.1 消浪特性分析

3.1.1 反射与透射

3.1.2 孤立波作用下堤前波高变化特性

3.1.3 海堤影响下孤立波波高衰减规律

3.2 建筑物结构荷载分析

3.2.1 破碎波压力

3.2.2 最大波浪力

3.2.3 越浪压力

3.2.4 冲击力系数

3.3 本章小结

第四章多孔介质海堤消浪特性影响因素分析

4.1 波陡对消浪特性的影响

4.2 孔隙率对消浪特性的影响

4.3 相对淹没水深对消浪特性的影响

4.4 海堤相对位置对消浪特性的影响

4.5 海堤相对堤顶高度对消浪特性的影响

4.6 岸滩坡度对海堤消浪特性的影响

4.7 多孔海堤波高消减系数经验公式

4.8 本章小结

第五章多孔介质海堤结构荷载影响因素分析

5.1 波陡对结构荷载的影响

5.2 孔隙率对结构荷载的影响

5.3 相对淹没水深对结构荷载的影响

5.4 海堤相对位置对结构荷载的影响

5.5 海堤相对堤顶高度对结构荷载的影响

5.6 岸滩坡度对结构荷载的影响

5.7 冲击力系数结果讨论

5.8 本章小结

第六章结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢

附录A （攻读硕士学位期间发表论文目录）

附录B （攻读硕士期间参加科研情况说明）

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 郑睿

导师: 蒋昌波

关键词: 孤立波,多孔介质海堤,结构荷载,消浪特性

来源: 长沙理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,公路与水路运输,水利水电工程,水利水电工程

单位: 长沙理工大学

分类号: TV139.2;U656.314

DOI: 10.26985/d.cnki.gcsjc.2019.000435

总页数: 99

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