孤立波作用下斜坡堤越浪量的数值模拟.docx

该【孤立波作用下斜坡堤越浪量的数值模拟 】是由【科技星球】上传分享，beplayapp体育下载一共【19】页，该beplayapp体育下载可以免费在线阅读，需要了解更多关于【孤立波作用下斜坡堤越浪量的数值模拟 】的内容，可以使用beplayapp体育下载的站内搜索功能，选择自己适合的beplayapp体育下载，以下文字是截取该文章内的部分文字，如需要获得完整电子版，请下载此beplayapp体育下载到您的设备，方便您编辑和打印。孤立波作用下斜坡堤越浪量的数值模拟??魏斐斐,熊芳杰,任兴月(海南大学土木建筑工程学院,海口570228)海啸是由海底地震、火山爆发、海底滑坡或气象变化产生的破坏性海浪,全球有记载的破坏性海啸约260次,造成重大灾难,也引起中外众多学者对海啸的研究。海啸在到达近海岸时,波浪越高,越容易越过斜坡堤,越浪量的大小也就决定着是否会对近海岸造成危害。孤立波与海啸的波形极其相似,常被用来模拟海啸等浅水大波[1]对海岸建筑物的破坏。所以,研究孤立波作用下斜坡堤越浪量的数值模拟,具有重要的学术意义和一定的工程应用价值。中外众多学者对规则波和不规则波在防波堤作用下的越浪进行了研究。Tofany等[2]采用数值方法研究了规则波对垂直防波堤越浪和冲刷的影响,周雅等[3]通过波浪断面物理模型研究了不规则波作用下斜坡堤的越浪量,并比较了随机、规则两种扭王字块体摆放形式的消浪结果;Guo等[4]研究了非破碎波和破碎波两种情况下海堤上越浪流动特征,得到了越浪量与堤顶最大流速之间的关系;张淑华等[5]利用设置造波边界法和质量源法,模拟线性波和二阶Stokes波与建筑物的爬高,与理论解拟合结果较好。防堤坡的种类也是影响越浪量的重要因素。朱伟娜[6]针对中国常见的坡面带栅栏板和块体的斜坡堤,进行越浪量物理模型试验,分析海堤顶流特征参数的分布规律。王键等[7]通过模拟不同断面尺寸的带胸墙斜坡堤越浪,分析了不同斜坡堤相关因素对平均越浪量的影响。较多学者对孤立波与结构物的相互作用进行了研究。Hsiao等[8]利用孤立波对斜坡堤作用的实验,研究了孤立波越过海堤、在海堤上坍塌、在海堤后坍塌三种情形下波高、荷载的变化。Ji等[9]以数值模拟的方法研究了斜坡海滩上不透水的梯形海堤在孤立波冲击下的水动力特性,以及波浪参数对海堤水动力稳定性的影响。Xuan等[10]在波浪水槽中进行了平面海滩上双孤立波的冲高实验,给出相对波峰分离距离对孤立波爬高的影响。但他们均未对孤立波在爬高产生的越浪量进行深入研究。为了研究孤立波对斜坡堤越浪的情况,张金牛等[1]在波浪水槽中进行了孤立波在斜坡堤上越浪的实验,分析了相对波高、相对超高对越浪量的影响,但未考虑堤顶宽度的影响因素;曾婧扬等[11]用Goring造波方法建立了二维数值波浪水槽,进行孤立波在简单斜坡堤越浪的数值模拟,分析了相对堤顶宽度和相对波高对越浪量的影响,并得出堤顶流最大厚度分布及最大速度分布公式,但未考虑到相对超高对越浪量的影响。主要以孤立波作用下斜坡堤的越浪量问题展开研究,基于FLUENT软件,采用速度边界造波,并编写了孤立波速度入口的用户定义函数(userdefinedfunction,UDF)程序,流体体积函数(volumeoffluid,VOF)方法追踪自由表面,建立二维数值波浪水槽。通过与文献[1]物理模型实验结果对比,验证了该数值波浪水槽的有效性。进而研究了相对波高、相对超高、相对堤顶宽度对孤立波在斜坡堤上越浪量的影响,并总结出孤立波越浪量沿堤顶宽度衰减的经验公式。,介质为不可压缩均质流体水和空气,连续方程为(1)纳维-斯托克斯(N-S)方程为(2)(3)式中:t为时间;(x,y)为笛卡尔坐标系;u为流体质点速度;ux和uy分别为流体质点在x和y方向的速度;?2为拉普拉斯算符;p为大气压强;ρ为流体密度;fx和fy为x、y方向上的黏性力项。[12](4)(5)(6)(7)(8)(9)(10)式中:c为波速;g为重力加速度;d为水深;H为波高;η为孤立波的波面方程的波面高度;X=x-ct;u和w分别为孤立波水平速度和竖直速度;(x,z)为平面坐标系。为了验证数值造波的有效性,采用了文献[1]中前三组物模实验数据(表1),在30m×。入口边界采用UDF造波,程序中运用DEFINE_PROFILE宏和式(6)、式(7)进行边界速度造波编译,出口边界为压力出口边界,上边界为对称边界。。取x=10m处的波面变化,数值模拟结果和理论值对比如图1所示。由图1可知,不同波高的数值模拟的结果和理论值均基本吻合,说明孤立波的速度造波方法在数值波浪水槽中的可行性。,李社生等[13]利用2D防堤坡越浪物理模型实验对不同方法进行了计算。范红霞[14]通过物理模型实验,分析各种因素对越浪量的影响,建立了适用中国海堤结构的平均越浪量计算公式。基于FLUENT软件,提出孤立波越浪量数值模拟的计算方法。利用VOF自由表面追踪法,得到斜坡堤堤顶越浪的质量流速图,引入孤立波在净水平面以上的单宽水体体积q0,最终计算出无量纲单宽越浪量q*。由孤立波波面方程[式(6)]可得(11)无量纲单宽越浪量q*计算公式为(12)式(12)中:m为数值模拟越浪量总质量,kg,即斜坡堤堤顶越浪的质量流速积分值;ρwater为水的密度,1×103kg/m3;b为单位宽度,b=1m;q为数值模拟单宽越浪量。,提高对斜坡堤越浪过程及质量流速的模拟精度,计算中对水体表面和斜坡堤附近进行了网格的加密,如图2所示。(1)竖直方向上:,以静水面为基准,基准面-,基准面+,此区域网格Δz=,其余区域z方向上的网格大小Δz=。(2)水平方向上:为了提高斜坡堤附近的计算精度,对斜坡堤堤前至堤后区域进行了加密,取Δx=,其余区域x方向网格大小Δx=。图2(a)为斜坡堤附近网格划分,可以明显看出在斜坡堤中间及前后区域网格较密,其余地方较稀疏。图2(b)为斜坡堤前坡的网格放大图,采用三角形非结构性网格,可以使斜坡堤的斜面较好的均匀划分网格。,左侧造波边界采用UDF速度造波,右侧出口边界为压力出口,在斜坡堤后25~30m范围内设置消波区,防止出口边界波浪反射对越浪量造成影响。图3中,斜坡堤前坡比为1∶3,后坡比为1∶2,d为水深,H为波高,堤顶宽度B=,Rc为堤顶超高。通过改变水深和波高,共设计了16种与文献[1]相同的工况,详细参数如表2所示。FLUENT中设置堤顶最右端为积分面,选择x方向的质量流速,得到越浪的质量流速图,如图4~图7所示。运用式(11)、式(12)对不同水深不同波高进行越浪量计算,得出数值模拟的无量纲越浪量q*,并与文献[1]的实验值做对比。图8(a)为孤立波越浪量实验值和数值模拟值的比较,越浪量的数值模拟结果和计算结果较吻合,验证了数值波浪水槽的有效性。==,相对波高(H/d=,H/d=)较小时,越浪波动较大,质量流速有明显的起伏,相对波高(H/d=,H/d=)较大时,质量流速曲线趋于光滑,没有较大的波动起伏。水深d=、、,说明相对波高越大,质量流速变化越稳定。Baldock等[15]通过物理模型实验,研究了孤立波爬高和越浪过程,提出孤立波爬高和越浪量经验公式为(13)