波浪沖擊過程的流場變化特性研究.pdf

1、在海岸和近海工程中，波浪的沖擊作用對位于浪濺區(qū)的透空式建筑物的安全有很大影響。在波浪沖擊過程中，當(dāng)波峰剛接觸到建筑物底面時會產(chǎn)生歷時很短但強(qiáng)度極大的沖擊壓力，這種極強(qiáng)的沖擊荷載會引起建筑物上部結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)或造成結(jié)構(gòu)連接處的疲勞破壞。隨著二十一世紀(jì)我國海洋開發(fā)規(guī)模的擴(kuò)大，波浪沖擊荷載的預(yù)報在海岸和近海工程設(shè)計中越來越受到重視，已成為近年來被廣泛關(guān)注并亟待解決的重要課題。因此，開展波浪沖擊過程的流場變化特性研究，有著重要的科學(xué)價值和實際意義。

2、 本文從物理模型試驗和數(shù)值模擬兩方面出發(fā)，對位于浪濺區(qū)的透空式結(jié)構(gòu)物的波浪沖擊特性進(jìn)行了研究。物理模型試驗方面，利用先進(jìn)的瞬態(tài)全場測量技術(shù)—粒子圖像測速(PIV)技術(shù)，研究了波浪對位于浪濺區(qū)的透空式建筑物上部結(jié)構(gòu)沖擊過程中的瞬時流場變化特性。通過對采集到的CCD圖像的互相關(guān)分析，直觀地顯示了波浪沖擊作用發(fā)生時結(jié)構(gòu)物底面不同瞬時的流場狀態(tài)，得到了瞬間的全場流體水質(zhì)點的速度矢量，并且應(yīng)用概率分析法研究了瞬時沖擊壓力峰值與波浪水質(zhì)點瞬

3、時運(yùn)動速度之間的關(guān)系。 數(shù)值模擬方面，首先建立了基于流體體積法(VOF)的隨機(jī)波無反射數(shù)值波浪水槽。在水槽造波端，基于線性造波機(jī)理論設(shè)置了隨機(jī)波的主動吸收式造波邊界，即造波板的運(yùn)動在生成目標(biāo)波浪的同時，還產(chǎn)生一個抵消造波板二次反射波的附加運(yùn)動。在數(shù)值波浪水槽的末端，設(shè)置了海綿層阻尼消波邊界，實現(xiàn)了隨機(jī)波的阻尼消波。通過水槽右端為直墻邊界時的全反射情形和水槽內(nèi)含有潛堤的部分反射情形的數(shù)值計算結(jié)果，驗證了主動吸收式造波機(jī)的性能和沿水

4、槽長度方向不同位置處入射波的穩(wěn)定性。 其次，利用本文所建立的數(shù)值模型對波浪沖擊過程的壓力變化特性、流場變化特性以及二者之間的關(guān)系進(jìn)行了統(tǒng)計分析。研究了結(jié)構(gòu)物底面波浪沖擊壓力及水質(zhì)點垂向運(yùn)動速度的分布規(guī)律，討論了相對入射波高、結(jié)構(gòu)相對寬度和相對凈空等因素對結(jié)構(gòu)物底面最大沖擊壓力及水質(zhì)點最大垂向運(yùn)動速度的影響規(guī)律，并給出了隨機(jī)波沖擊壓力峰值與水質(zhì)點垂向運(yùn)動速度統(tǒng)計值之間的關(guān)系。 最后，通過引入嵌套網(wǎng)格細(xì)分方法實現(xiàn)了建筑物附近