基于OpenFOAM的弧形防浪墙受力特性的数值模拟研究*

弧形防浪墙具有优良的返浪效果,工程应用较多。本文以弧形防浪墙为例,基于OpenFOAM开源程序,应用雷诺平均Navier-Stokes方程描述流体运动,建立了波浪与结构物作用的二维数值模型。通过试验验证所建立的数值模型,探讨不同形式弧形防浪墙所受波浪压强分布特点的异同、弧形防浪墙圆弧半径对所受波浪力的影响。结果表明：在不同波浪要素条件下,弧形防浪墙迎浪面所受波浪压强随测点高程的增大而减小,同一测点上所受波浪压强随弧形防浪墙圆弧半径的增大而减小。防浪墙迎浪面受到的波浪力随着波高的增大而增大,随波长的增大先增大、再减小、再增大,且在波长最大时波浪力达到最大值。在相同波长下,波浪力随圆弧半径增大而减小。     

弧形防浪墙的模型试验

通过物理模型试验,测量不同底高程条件下防浪墙顶部的越浪量、迎浪面及底面上的波浪压强和防浪墙的整体稳定性。对测量数据进行分析后的结果表明:在相同的波浪要素和水位条件下,防浪墙底面高程的差别将直接影响到迎浪面和底面上波浪压强的大小以及防浪墙的整体稳定性等。最后,根据模型试验结果,给出有助于弧形防浪墙设计的一些建议。     

弧形防浪墙的迎浪面波压力数值模拟

以Navier-Stokes方程为控制方程,使用VOF方法追踪自由液面,对FLUENT进行二次开发,将各功能区的源项表达式添加到动量方程中,从而实现动量源造波和消波。模拟二阶Stokes波作用下不同断面形式防浪墙的流场和波压力,并将计算结果与物理模型试验数据进行对比,结果吻合较好。比较直立式和弧形防浪墙波浪压力数值计算结果可以发现,在相同水位和波浪要素情况下,作用在圆弧墙上的最大点压强明显大于直立墙,而且最大压强发生在圆弧部分,工程中应该对圆弧部分进行加固处理。     

直立堤弧形防浪墙波浪压强的试验研究

文中通过物理模型试验开展了不同参数的波浪对不同结构型式直立堤弧形防浪墙的作用研究,对不同结构型式的直立堤弧形防浪墙所受到的波浪作用的试验数据进行了统计分析,讨论了波浪压强在直立堤弧形防浪墙迎浪面的分布特征,以及波浪压强与入射波波高H、波浪周期T的关系;比较了不同结构型式直立堤弧形防浪墙上波浪压强的分布特点.     

弧形防浪墙波浪力的试验研究

在斜坡式防浪建筑物中,为满足越浪与稳定要求,减少工程投资,常在堤顶设置防浪墙。通过三分力天平对常用的直立式、不同墙底高程和墙高组合下的圆弧式防浪墙进行物理模型试验,直接测量作用其上的波浪力,分析不同形式下防浪墙的整体稳定性,讨论防浪墙形式引起的波浪力的变化关系。     

弧形防浪墙上波浪荷载的数值模拟*

波浪冲击海岸结构物时往往会发生破碎,水的流态也从层流转变为湍流。基于开源计算流体力学工具OpenFOAM建立了数值波浪水槽,使用层流模型和浮力修正的k-ω SST湍流模型模拟弧形防浪墙上的波浪载荷。采用3组网格分析了弧形防浪墙上指定位置处的点压力,验证计算结果的收敛性。为了比较基于层流模型和湍流模型计算结果的精度,将弧形防浪墙上指定位置处的点压力和弧形防浪墙受到的总力的数值结果与相应的试验数据进行比较。结果表明,采用浮力修正的k-ω SST湍流模型可以提供更准确的预测结果。     

广西北海LNG接收站陆域形成防浪墙顶高程设计

防浪墙顶高程的确定是LNG接收站陆域形成设计中重要的内容之一,防浪墙顶高程的高低关系到接收站建设的工程投资、使用期防御波浪的能力及陆域内建筑物的安全.文中通过对防浪墙顶高程的理论计算值与物模试验实测值的比较与分析,最终确定合理的防浪墙顶高程,供其它类似工程设计参考.     

基于OpenFOAM近岸沙纹床面水动力数值模拟

基于OpenFOAM平台,引入k-ε湍流模型对Navier-Stokes方程进行封闭求解,使用VOF方法追踪自由液面,建立三维数值水槽模型,研究波浪作用下的沙纹床面水动力特性。结果表明,波周期内涡旋结构产生于沙纹背水坡,并逐渐抬升至沙纹峰以上,继而向上游移动,上溯至最远距离后,在下一个波周期影响下转向下游移动直至完全耗散;床面剪切力集中分布在沙纹峰和背水坡处,迎水坡的剪切力波动频率更为剧烈,表明可能存在小尺度涡体,而小涡体的脱落扩散促进了背水坡大尺度涡旋结构的发展;当波浪波高改变时,床面剪切力整体趋势没有明显改变,而大小会随之产生线性变化。     

基于正交试验的弧形胸墙波浪载荷对波要素的敏感性分析

以复合式海堤弧形胸墙为研究对象,选择3个因素——水深、波高、波周期,每个因素取4个水平,按照正交表L16(43)设计相关试验组次研究上述因素对复合式海堤弧形胸墙波浪载荷的影响显著性。同时研究弧形胸墙波压力分布规律和波浪载荷时程变化规律。结果表明:对于弧形胸墙压力即时分布,点位与点位之间没有固定的大小关系,但整体上来说,胸墙迎浪面下半部分的波压力普遍大于上部分;在单个波浪周期作用过程中,水平波浪力存在2个峰值,垂向波浪力存在1个峰值2个谷值,垂向波浪力峰值与水平波浪力第1个峰值几乎同时达到,此时对胸墙的稳定性最为不利;水深对波浪载荷的影响最为显著,波高其次,波周期的影响相对最小。     

水下上弧形板结构的水动力特性研究

文章应用边界单元法,依据波浪绕射和辐射理论研究了一种新型的板式防波堤结构—上弧形板结构。研究中通过与另外三种板式防波堤结构(下弧形板结构,单板结构,双层板结构)的对比,验证了这一新型结构具有更好的消波效果。文中重点分析了这种新型结构的散射波浪力、透射系数和反射系数,并且为了进一步揭示这种结构的消波原理,对该结构周围的流场进了分析。研究发现：（1）上弧形板结构在横荡方向上所受波浪力最小。（2）当潜深波高比为0.05时,该结构的消波效果比其他三种结构增强约50%。（3）通过对上弧形板结构的速度流场分析,发现上弧形板结构上部有明显回流。     

某直立式护岸挡浪墙顶高程设计与验证

顶部设置弧形返浪墙的直立式护岸的堤顶越浪量相对于不设弧形返浪墙的情况小,挡浪墙顶高程设计值可降低。以某直立式护岸挡浪墙顶高程设计为例,按照现行相关规范进行挡浪墙高程计算,然后根据相关文献提出的经验公式进行越浪量计算,为了确定最为经济、合理的挡浪墙顶高程,采用物理模型试验进行越浪量验证,对物模试验的实测越浪量及经验公式计算越浪量进行对比分析,最终确定弧形返浪墙顶高程。     

有护面块体掩护的斜坡堤弧形胸墙波压力研究

弧形胸墙可以有效减小斜坡堤越浪、降低胸墙顶高程,因此越来越多地在工程中采用。但在规范中对斜坡式防波堤弧形胸墙波压力计算方法没有明确规定。结合工程实例,将弧形胸墙波压力物理模型实测结果与现行规范直立胸墙波压力计算结果进行对比分析,总结了该工程防波堤弧形胸墙在有掩护条件下所受的波压力情况,供工程设计参考。     

斜向波浪对斜坡堤胸墙作用力的试验研究

斜坡堤胸墙的稳定性主要受到波浪作用的影响,而且实际工程中斜坡堤多受斜向波浪作用。通过斜向与正向不规则波对斜坡堤胸墙作用的物理模型试验研究,分析斜坡堤单个胸墙所受的斜向波浪总力的折减系数随水位和波浪入射角度的变化规律,并与斜向波浪对单元直立堤的作用情况进行对比。结果表明:斜坡堤单个胸墙所受的斜向波浪总力的折减系数总体上随着水位的降低而变小,随着波浪入射角度的减小而变小;斜向波浪总浮托力的折减系数一般小于总水平力的折减系数;在不同水位和波浪入射角下,斜坡堤单个胸墙所受的斜向波浪总力的折减系数与单元直立堤有一定差别。     

冠梁对弧形悬臂式排桩围护结构变形的影响

针对不同工况条件下冠梁对悬臂式排桩围护结构变形的影响,采用数值分析和现场监测相结合的手段进行分析。结果表明:冠梁对悬臂式排桩围护结构变形的约束效果显著;随着基坑开挖深度增加,冠梁的约束作用显著增大,开挖到一定深度时必须通过设置冠梁来控制围护结构变形;增加冠梁约束后,围护结构变形对基坑形状变化较敏感,在弧形基坑中冠梁的约束作用更加显著。     

基于物模试验的平板与弧板式防波堤水动力特性对比

为探求一种消浪效果优良且受力较小的新型结构,通过物理模型试验,对比单平板式与单弧板式防波堤的水动力特性,分析不同波浪参数情况下,透射系数、反射系数、压力以及结构物周围流场的变化关系。结果表明,结构物出水状态时,弧板式防波堤对波浪的透射系数明显小于平板式防波堤,入水状态时则相反,静水面处两者相当;结构物出水状态时,弧板式防波堤对波浪的反射系数略大于平板式防波堤,而在静水面及入水状态时,平板式防波堤对波浪的反射系数明显大于弧板式防波堤;两种结构上表面不同测点处的压力差别较大,而下表面的差别不显著。