考虑波流相互作用的数值水槽及循环水槽消波装置开发研究

论文摘要

波浪水池技术是利用数值模拟技术对波、流以及结构物相互作用展开模拟的技术总称。随着CFD技术的成熟,应用数值波浪水槽进行波流、结构物的相互作用逐渐成为研究热点。本文基于商业计算流体力学软件建立了数值波浪水槽模型。该水槽利用源项造波方法模拟波浪,利用VOF方法捕捉自由液面。为了保证波浪模拟可靠性,数值水池尾部设置了阻尼消波区实现了消波。结合RANS湍流模型和VOF方法,该水池可以长时间稳定地模拟Stokes波、不规则波、聚焦波等,能够清晰地捕捉波浪自由表面形状,对于波、流、消波结构物相互作用的研究有较高价值。在此基础上,本文通过数值模拟与物理试验对于规则波、不规则波以及聚焦波的生成和波流相互作用进行研究,从波对流的影响、流对波的影响进行分析。对于波流相互作用展开了研究,数值模拟所得波高与试验值基本保持一致,试验以及数值模拟的结果表明:顺流会造成波浪更为平坦,波高减小,波长增大,与已有的文献结论一致。在数值水槽中能更加直观地观察流场分布,顺流会使规则波产生波浪变形,流速越大,变形越为明显。依据波浪叠加原理,在循环水槽中实现了质量较高的不规则波的生成,具有可重复性。根据均匀流中不规则波试验结果,顺流会使不规则波的谱峰周期向低频处略微偏移,谱峰处幅值减小。对聚焦波与流的相互作用,在顺流中,水流会减小最高波峰高度、最高波峰相邻的波谷的深度以及最大波高。在逆流中,结果与顺流相反。波与流的作用是相互的,流能改变波浪的水动力特性,波浪也会改变水流的流场特性,波流场受波流相互作用的影响显著。为了能够提高循环水槽波浪试验可靠性,本文提出一种用于循环水槽的多层孔板消波装置,通过试验和数值模拟分析了该装置的消波性能,以期为物理水槽中波浪生成及其质量的研究奠定基础,同时为后续波浪试验提供参考。根据试验结果与数值模拟结果,多层开孔板消波装置开发及其性能研究主要结论如下:本文所提出的消波装置在本文计算工况下,均有较低的反射系数、透射系数,消波效果良好,实现了低反射,较低透射,高消波系数的设计目标,满足循环水槽造波及波浪与结构相互作用试验的要求。波长对于本文的多层开孔板消波装置消波性能具有显著影响。波高一定时,波长越长,浪与消波板在竖直方向上相互作用显著,反射现象明显,反射系数变大。同时,波长大的波浪更容易透过消波装置,透射系数随着波长的增加而增加。波长越长,消波系数越低,消波效果也变差。波高对消波装置的消波性能亦有影响。反射系数随波高的增加而增加,反之透射系数随波高增加而减小。由于本文消波装置透射波浪成分大于反射波浪,因此,波高越大,消波性能越好。消波装置在顺流中具有较高的透流系数,消波装置对于其后方的自由液面流场影响较大,但整体流场均匀性较好,消波装置透水性能良好。

论文目录

摘要

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第一章绪论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 数值波浪水槽研究现状

1.2.2 波流相互作用研究现状

1.2.3 消波结构研究现状

1.3 研究内容及创新点

1.3.1 研究内容

1.3.2 创新点

第二章波浪理论和数值模拟方法

2.1 波浪理论

2.1.1 微幅波理论

2.1.2 有限振幅斯托克斯波理论

2.1.3 过渡水波理论

2.1.4 不规则波理论

2.2 数值波浪水槽构建方法

2.2.1 基本控制方程

2.2.2 湍流模型

2.2.3 捕捉自由面的VOF方法

2.2.4 波浪模拟方法

2.2.5 尾端消波区

2.2.6 波浪水槽模型建立

2.2.7 网格划分与时间步长设置

2.3 五阶斯托克斯波模拟

2.4 本章小结

第三章循环水槽试验

3.1 循环水槽装置及工作原理

3.1.1 循环水槽装置

3.1.2 循环水槽造波原理

3.1.3 波浪反射与水流阻塞

3.2 试验设计

3.2.1 试验数据测量方法

3.2.2 试验布置

3.3 试验误差分析

3.4 本章小结

第四章波浪与均匀流的相互作用

4.1 试验条件与工况

4.2 规则波与均匀流的相互作用

4.2.1 顺流与规则波相互作用试验结果分析

4.2.2 顺流与规则波相互作用数值模拟结果分析

4.2.3 逆流与规则波相互作用数值模拟结果分析

4.3 均匀流对不规则波的影响

4.3.1 不规则波的生成

4.3.2 顺流对不规则波特征影响试验结果分析

4.4 聚焦波与均匀流的相互作用

4.4.1 聚焦波的生成数值模拟

4.4.2 均匀流对于聚焦波的作用

4.5 本章小结

第五章基于数值水槽的循环水槽消波装置开发

5.1 循环水槽消波装置开发

5.1.1 循环水槽消波装置选型

5.1.2 循环水槽消波装置设计目标

5.1.3 循环水槽消波装置的设计与实现

5.2 消波装置数值模拟

5.2.1 模拟工况及模型建立

5.2.2 网格划分

5.3 消波装置物理模型试验

5.4 消波性能试验数据分析方法

5.4.1 入反射波分离计算方法

5.4.2 透射系数计算方法

5.4.3 消波系数计算方法

5.4.4 透流系数计算方法

5.5 消波装置消波性能分析

5.5.1 波浪参数与反射系数的关系

5.5.2 波浪参数与透射系数的关系

5.5.3 波浪参数与消波系数的关系

5.6 消波装置透流性能分析

5.7 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

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 丁俊杰

导师: 马宁,顾解忡

关键词: 数值波浪水槽,循环水槽,波流相互作用,消波装置,波浪反射

来源: 上海交通大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 地球物理学,水利水电工程

单位: 上海交通大学

分类号: TV139.25

DOI: 10.27307/d.cnki.gsjtu.2019.000588

总页数: 109

文件大小: 6470K

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