孤立波在岛礁地形上传播演化水动力特性研究

论文摘要

海啸一般是由海底地震、火山爆发、海底塌陷滑坡等大地活动所引发,其内部蕴含着巨大的能量,是一种破坏力极大的自然灾害。海啸波的实验室研究及数值模拟通常将其简化为孤立波来研究,孤立波能够代表海啸波首波的许多重要性质。岛礁地形作为一种典型的近岸地形,研究孤立波在此地形上的传播特性对于预防海啸灾害具有重要的意义。本文通过物理模型实验和数值模拟相结合的方法,研究了孤立波在近岸岛礁地形上的传播以及爬高的水动力特性,分析了礁坪后缘直墙的压力分布特征,以期为海啸波的防灾减灾工程提供技术支撑。首先,在水槽中进行孤立波在岛礁地形上传播的物理模型实验。孤立波造波以三阶孤立波解为目标波形,考虑了造波区的非稳态特性,采用改进的Goring方法,获得了与理论解较为吻合的孤立波波形。实验结果表明,随着孤立波波高的减小,孤立波破碎的位置逐渐后移,直壁爬高及所受的最大压力逐渐减小;压力极大值出现在静水位以上附近;当波高水深比很小时,孤立波在礁坪上不破碎,并在直壁上发生全反射;此外,礁冠对于礁坪有一定的保护作用。之后,利用OpenFOAM数值模型对物理模型实验进行了数值模拟。与实验数据对比发现,OpenFOAM数值模型能够准确的模拟孤立波在岛礁地形上的传播,对直壁爬高以及所受的压力也能准确的模拟,根据数模结果详细分析了传播过程中的水动力特征。最后通过数值模拟,研究了极大波高水深比的孤立波以及岛礁地形特征参数对岛礁地形上水动力特性的影响。结果表明:一般情况下,随着孤立波波高和礁坪水深的增大、礁坪长度的减小,直壁上的爬高与压力逐渐增大;礁冠的存在会影响孤立波在礁坪上的传播形态,引起爬高与压力的减小。

论文目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的工作

2 孤立波物理模型实验

2.1 实验设备与仪器布置

2.1.1 实验造波消波设备

2.1.2 仪器布置

2.2 波浪要素

2.2.1 实验室孤立波造波方法

2.2.2 实验波况确定及孤立波造波结果

2.3 岛礁模型设计与铺设

2.3.1 模型设计

2.3.2 模型制作

2.4 实验结果初步分析

2.4.1 实验重复性及误差分析

2.4.2 实验录像分析及破碎位置统计

2.4.3 波高结果分析

2.4.4 流速结果分析

2.4.5 直壁所受压力分析

2.4.6 爬高结果分析

2.5 本章小结

3 OpenFOAM数值模拟

3.1 OpenFOAM数值模型简介

3.1.1 控制方程

3.1.2 湍流模型

3.1.3 离散方法

3.1.4 边界条件

3.2 数值模型的设置及网格敏感度分析

3.2.1 数值实验布置

3.2.2 网格敏感度分析

3.3 无礁冠工况一数值模拟结果分析

3.3.1 波高时间序列对比结果

3.3.2 流速数据对比结果

3.3.3 特征时刻自由表面对比

3.3.4 湍动能及涡量场结果分析

3.3.5 直壁爬高对比

3.3.6 直壁压力与实验对比

3.3.7 沿程最大波高分布

3.4 有礁冠工况一数值模拟结果分析

3.4.1 波高时间序列对比结果

3.4.2 流速数据对比结果

3.4.3 特征时刻自由表面对比

3.4.4 湍动能及涡量场结果

3.4.5 爬高结果对比

3.4.6 压力结果与实验对比

3.4.7 沿程最大波高分布

3.5 本章小结

4 孤立波波高及地形特征参数对岛礁区域水动力特性的影响

4.1 波高及礁冠对岛礁水动力的影响

4.1.1 波高对岛礁区域孤立波传播特性的影响

4.1.2 礁冠对岛礁区域孤立波传播特性的影响

4.1.3 波高及礁冠对爬高的影响

4.1.4 波高及礁冠对直壁压力的影响

4.2 礁坪水深对岛礁区域水动力的影响

4.3 礁坪长度对直壁的影响

4.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 杭滔

导师: 房克照

关键词: 孤立波,岛礁,水动力特性,爬高,压力

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 大连理工大学

分类号: P731.25

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.000776

总页数: 81

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