模拟斜坡堤上越浪量一种新的数值模式

利用FLUENT软件,基于粘性不可压缩流体的雷诺时均N-S方程和k-ε湍流模型,采用有限体积法对控制方程进行离散,建立数学模型。基于质量源造波和动量源消波的方法,在连续方程和动量方程中加入造波源项和消波源项,采用VOF方法捕捉自由表面,开发了无反射造波的二维数值波浪水槽,通过数值模拟值和理论值的对比,对该数值波浪水槽进行了验证。进而,利用该数值波浪水槽模拟斜坡堤的越浪问题,分析了平台宽度、斜坡坡度对越浪量的影响,并将数值模拟结果和前人物模试验结果相对比,二者趋势一致,吻合良好,表明了该模型在处理斜坡堤越浪问题方面的有效性和精确性,从而建立了利用FLUENT模拟斜坡堤越浪问题一种新的数值模式。     

不规则波作用下斜坡堤越浪的数值模拟

基于OpenFOAM建立三维数值波浪水槽生成不规则波,利用体积平均的RANS方程和包含非线性项的渗流方程描述斜坡堤内部的水体流动,通过网格划分工具对斜坡堤外层扭王护面块体进行全尺度精细划分模拟,研究了正向入射不规则波与扭王块体护面斜坡堤的相互作用。模型模拟实验室尺度及原型尺度斜坡堤得到的平均越浪量分别与试验结果及按照重力相似准则换算原型结果吻合较好,所建立的数值模型可以描述实际工况下扭王块体护面斜坡堤的越浪过程。     

基于非静压方程的斜坡堤越浪数值模拟

越浪是波浪与建筑物相互作用的一种重要现象,越浪量的大小往往影响到斜坡堤顶高程的设计。为研究斜坡堤越浪问题并对越浪量做出预报,基于非静压波浪数学模型模拟了规则波及不规则波在光滑不可渗斜坡堤上的越浪过程,并分别与小尺度和大尺度水槽的越浪量实验研究成果进行了比较,结果表明基于非静压方程的波浪数学模型能够较好地模拟规则波及不规则波在斜坡堤上的越浪。     

带胸墙斜坡堤单波越浪量的数值研究

基于FLUENT软件,采用有限体积法离散粘性流体的连续性方程、雷诺时均N-S方程及RNG k-ε湍流模型,VOF法捕捉流体自由表面,结合主动吸收式造波理论,建立了二维不规则波数值水槽。在验证数值水槽性能的基础上,利用其模拟斜坡堤越浪。通过数值计算结果与已有物模试验值的对比验证,表明了该数值模式计算的无胸墙斜坡堤平均越浪量、单波越浪量及带胸墙斜坡堤平均越浪量有较高的精度。藉此依据数值模拟结果,分析给出了带胸墙斜坡堤超值累积频率1%的单波越浪量的计算关系式。根据关系式,可通过带胸墙斜坡堤平均越浪量计算其1%单波越浪量。研究成果可为带胸墙斜坡堤单波越浪量的基础研究及相关工程设计提供一定的参考。     

斜坡堤越浪量试验研究

研究斜坡堤的越浪量对于防波堤的设计有重要意义。通过波浪断面物理模型试验的方法,研究了波高、波陡和堤顶超高的变化对斜坡堤越浪量的影响规律,比较了4种不同护面形式的消浪效果。试验结果显示:斜坡堤越浪量随着有效波高的减小和波陡的增大而减少;斜坡堤越浪量随着堤顶超高的增大,成指数形式递减;护面形式对斜坡堤越浪量有一定影响,扭王字块和栅栏板的消浪效果差别不大,且均优于四角空心方块。将物模试验值与现有斜坡堤越浪量公式计算值进行对比,推荐了陈国平公式作为计算斜坡堤越浪量的公式。     

波浪在斜坡堤上传播的数值模拟

基于VOF自由表面追踪技术,通过直接求解Navier-Stokes方程及κ-ε方程,建立了求解波浪与建筑物相互作用的数值波浪水槽,并将其用于研究波浪在不透水斜坡堤上传播的物理过程。首先,通过对水平床上非线性波传播过程的模拟分析验证了该数值波浪水槽的模拟精度;在此基础上,对规则波在斜波堤上传播的水动力过程,包括波浪爬坡、越浪及越流等进行了数值模拟,并通过物理模型试验结果对堤前水位及越浪量变化的模型模拟结果进行验证。     

斜坡堤越浪流厚度及堤后次生波的试验研究*

通过断面物理模型试验,对于斜坡堤的平均越浪量、堤上越浪流厚度以及堤后次生波的波高、周期的变化情况等进行了较系统的研究,初步建立了堤上越浪流的厚度、堤后次生波的波浪透射系数、周期变化系数与无因次平均越浪量的关系.该成果可为工程实际及斜坡堤堤项越浪情况数学模型的参数调整提供依据.     

不规则波作用下斜坡堤越浪量试验研究

考虑允许部分越浪对海堤设计十分重要。通过具体工程波浪断面物理模型试验,研究了不同波要素和断面尺度对斜坡堤越浪量的影响,比较了随机、规则两种扭王字块体摆放型式的消浪效果。结果表明:堤顶超高对越浪量的影响最大,随着相对堤顶超高的增大,越浪量呈指数形式递减。肩台及平台宽度和波陡对越浪量也有影响,相对肩台及平台宽度越大,越浪量越小;波陡越大,越浪量越小。护面层空隙率相同的不同扭王字块体摆放型式下,斜坡堤越浪量基本相同。典型越浪量公式计算值与文章试验值相比都偏小,陈国平公式计算结果较为准确。     

周期和波高对斜坡式防波堤透浪特性影响试验研究

通过物理模型试验,针对实际工程中典型的可渗透斜坡堤结构,在不考虑越浪情况下,对斜坡堤在较长周期波浪作用下的透浪特性进行分析研究,主要讨论了斜坡堤透浪系数与入射波周期、入射波高、相对宽度等因素的关系。根据试验结果分别拟合出在堤心石一定质量级配规则波和不规则波作用下斜坡堤透浪系数经验公式,为防波堤工程建设提供一定的参考依据。     

涌浪条件下斜坡式防波堤越浪量的对比分析

海外港口工程大部分位于以涌浪为主的海域,涌浪对防波堤的作用未得到全面认识。越浪量一直是斜坡堤设计中需要重点考虑的问题,其直接关系到结构的安全和使用。以某一具体港口防波堤工程为例,对其防波堤进行了波浪断面和局部整体试验,研究涌浪作用下斜坡堤(单坡、无挡浪墙)的平均越浪量,并与计算结果进行对比分析。研究结果表明:1)断面试验和局部整体试验结果表明斜坡堤越浪量随着波浪周期的增大而增大,而国内规范公式计算结果随着波浪周期的增大而减小。2) EurOtop公式越浪量计算结果不考虑波浪周期的影响; ANN(人工神经网络)方法越浪量计算结果也随着波浪周期的增大而增大。3)总体上,ANN方法越浪量计算结果与物理模型试验结果的吻合程度均明显好于国内规范公式和EurOtop公式计算结果。     

斜坡堤堤后次生波高试验与计算

根据斜坡堤模型试验结果,给出拟合公式。再采用拟合公式、现有规范公式和研究者给出的经验公式,对斜坡堤不同堤顶高程下越浪产生的堤后次生波高值进行计算。对比计算结果与试验结果,可知拟合公式与试验结果最为接近;分析其他公式计算结果不吻合的原因。结果可为其他允许越浪斜坡堤在堤顶高程设计时的堤后次生波高计算和模型试验提供参考。     

波浪非线性对斜坡堤透浪特性影响研究

利用三维动压模型NHWAVE模拟了不越浪斜坡堤的透浪试验,并使用物理模型数据进行了验证。通过厄塞尔指数和波陡研究波浪非线性对斜坡堤透浪特性的影响,并采用相对长度(相对堤宽B/L)而不是绝对长度(B)来表示静水面处的堤身宽度。在此基础上计算得到新的透浪系数K L,同时讨论了堤后透浪系数与波浪非线性等因素之间的关系。结果表明,波浪非线性对透浪系数有着非常显著的影响。最后根据试验结果拟合出斜坡堤透浪系数的经验公式,为防波堤工程建设提供一定的参考依据。     

波浪作用下陡坡和缓坡地形对护岸工程的影响

波浪是护岸工程设计的主要动力因素,实际工程建设中,港区内航道、港池的开挖形成陡峭边坡,会使作用在护岸上的波浪形态发生显著变化,从而对护岸结构产生不同影响。为探寻不同波浪形态下护岸越浪量及波压力等变化规律,通过波浪水槽断面试验,测量了斜坡式护岸堤前波高、胸墙越浪量和波压力,研究陡坡和缓坡地形对护岸的影响。结果表明,护岸前存在陡坡和缓坡地形时,波浪对护岸的作用有明显差别。在陡坡段护岸,波浪主要在护岸中部破碎;缓坡段护岸,波浪主要在护岸上部破碎。相对而言,陡坡段护岸的堤前波高较小,越浪量较少,胸墙水平力变大,浮托力变小。由于反浪弧的影响,胸墙水平力试验值远大于规范计算值,浮托力与规范值较为接近。     

风暴潮条件下越浪水体对堤顶附加直墙的作用

为研究极端条件下浅水大波对沿海建筑物的作用,采用物理模型试验的方法,在波浪水槽中开展风暴潮条件下越浪水体对斜坡堤堤顶附加直墙的作用试验,得出波浪作用在堤顶附加直墙上压强分布的规律,并基于动量方程得出越浪量和压强、流速之间的相互关系。结果表明,不同越浪量条件下直墙作用力随时间呈不同的变化规律,当越浪量较小时呈单峰分布,越浪量较大时呈双峰分布;越浪水体对直墙的水平作用力符合韦布尔分布;越浪水体上挑角度先随越浪量增加而增加,当越浪量较大时再随越浪量增加而略微减小,最大值在75°左右。     

不规则波作用下波浪爬高计算方法

通过物理模型试验,研究了不规则波作用下光滑不透水单坡和复坡上的波浪爬高,分析了主要影响因素波陡、坡度、波浪入射角、平台宽度和高程对波浪爬高的影响规律,得到了海堤结构波浪爬高的计算公式及其不同累积率换算关系,并提出了多级平台海堤断面波浪爬高计算方法,可适用于复杂海堤断面的爬高计算,与40多个实际工程的模型试验结果对比,具有较好的计算精度,可供工程设计参考。     

透空式防波堤透浪的数值模拟

基于FLUENT求解器,以N-S方程为控制方程,采用动量源方法及追踪自由面的VOF方法,建立了同时具有造波和消波功能的数值波浪水槽。利用该数值水槽对透空堤的透浪、越浪问题进行数值模拟,并与物理模型试验进行比较,结果表明:数值模拟能较好地复演防波堤越浪、透浪过程。     

不规则波在斜坡地形破碎区波高分布的数值试验研究

在近岸浅水波浪分布的研究中,格鲁霍夫斯基给出适用于深水波至破碎波的整个浅水域(相对水深η>2)的波高经验分布公式,但该式在波浪发生破碎后的适用性研究欠缺。基于FLOW-3D软件对深水不规则波传播到斜坡地形上波浪发生破碎进行模拟,验证波高沿程分布与试验值的一致性,并模拟在130斜坡地形条件下波浪从有限水深传播到近岸破碎区的沿程波高分布变化。结果表明,在该坡度相对水深η<2.75情况下,格鲁霍夫斯基经验分布公式出现较大误差,不再适用;破碎区各累积率波高与平均波高的比值随相对水深变小呈递减趋势,经验公式值与之相比,总体上呈现出大波偏大、小波偏小的情况。     

越浪对斜坡式护岸后方危险品管廊的影响

随着极端灾害天气的增多,建港条件恶化,已建斜坡式护岸不能对后续建设的危险品管廊形成安全掩护。论证掩护危险品管廊斜坡式护岸的防潮、防浪和越浪量标准,采用规范公式计算掩护危险品管廊的斜坡式护岸堤顶高程,通过波浪断面物理模型试验研究越浪量、越浪水面线、越浪落水点位置和波浪力,分析越浪对斜坡式护岸后方危险品管廊的影响,提出堤顶高程无法满足越浪量控制标准的管廊建设方案。     

关于海岸水工建筑物顶部单波越浪量的研究

在防波堤与堤后结构物的安全性评价和堤顶行人与车辆等的危险因素分析中,单波越浪量比常用的平均越浪量能更真实地反映出堤顶越浪的影响,是更为合适的越浪量评估指标。重点介绍直立堤和斜坡堤上单波越浪量的计算方法,并通过具体算例对相似的计算方法进行对比分析,针对不同计算方法的选用原则提出相关建议,可供防波堤工程设计参考。