用三維雷諾時(shí)均模型模擬小尺度組合樁柱上的波浪力.pdf

1、波浪是海岸、海洋工程最重要的動(dòng)力因素之一.海上結(jié)構(gòu)物所承受的波浪荷載通常是結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)的控制荷載,它對(duì)工程的造價(jià)、安全度及壽命起著重要作用. 因此,研究海浪對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用是很重要的.海岸和海洋工程中,把特征尺度D與波浪的特征波長(zhǎng)L的比值滿足D/L≤0.15的結(jié)構(gòu)物稱為小尺度結(jié)構(gòu)物,小尺度樁柱的組合結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中應(yīng)用十分廣泛. 本文采用時(shí)變雷諾方程作為控制方程,并用κ-ε湍流模型來封閉雷諾方程,建立了模擬波浪與結(jié)構(gòu)物相互作

2、用的三維數(shù)學(xué)模型.采用能模擬波浪破碎的流體體積函數(shù)(VOF)方法跟蹤波動(dòng)自由表面；為了避免在網(wǎng)格內(nèi)采用斜面表示自由表面時(shí)的復(fù)雜的幾何計(jì)算,采用"施主一受主"算法計(jì)算網(wǎng)格內(nèi)的流體體積函數(shù)值,并在網(wǎng)格內(nèi)用水平或垂直的平面重構(gòu)自由表面.采用能消去造波板二次反射的可吸收式數(shù)值造波機(jī)進(jìn)行數(shù)值造波；在開邊界處,采用了適合本模型的海綿層吸收方法. 雷諾方程的求解采用兩步投影法:第一步,不考慮壓強(qiáng)梯度對(duì)速度場(chǎng)的貢獻(xiàn),即在動(dòng)量方程中略去壓力梯度項(xiàng)

3、,且時(shí)間項(xiàng)采用向前差分,得到中間速度場(chǎng)；第二步將此速度場(chǎng)向無散度的空間投影,得到滿足連續(xù)性方程的流場(chǎng).積分壓強(qiáng)得到小尺度結(jié)構(gòu)物上的慣性力,利用速度場(chǎng)計(jì)算得到小尺度結(jié)構(gòu)物上的粘性力. 為了驗(yàn)證模型對(duì)流場(chǎng)和自由面的模擬以及小尺度樁柱波浪力計(jì)算的準(zhǔn)確性,本文用數(shù)學(xué)模型模擬了(1) 孤立波在直立墻前的爬高過程 (2) 小尺度孤立柱上受到的波浪力,用解析解和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,數(shù)值結(jié)果與解析解和實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合較好. 利用本文建立的數(shù)