王飛

摘 要：為探究新型圓弧護(hù)面透空式防波堤的水動力特性，建立三維數(shù)值波浪水槽，對其開展模擬研究工作。本文從模型的建立、自由面追蹤技術(shù)和方程的離散求解等方面對數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果表明，該數(shù)值模擬方法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有很好的相關(guān)性，證明本文構(gòu)建的數(shù)值模型可以用于防波堤的波浪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析和附近的流場計(jì)算研究。

關(guān)鍵詞：VOF方法 三維數(shù)值水槽 防波堤 水動力特性 數(shù)學(xué)模型

1.引言

為保證水體交換，改善港口水質(zhì)環(huán)境和滿足低成本的要求，港工構(gòu)建物正朝著透空式結(jié)構(gòu)的方向發(fā)展。圓弧形護(hù)面透空式防波堤作為一種新型、有效的防浪結(jié)構(gòu)物，開始受到學(xué)者和工程師的廣泛關(guān)注，其優(yōu)點(diǎn)主要有：在防波堤內(nèi)外可進(jìn)行自由的水體交換，對海洋生態(tài)環(huán)境的影響比較?。唤Y(jié)構(gòu)內(nèi)部不需要填充，可節(jié)約砂、石料，以降低成本；圓弧形護(hù)面更容易減小波浪的直接撞擊，有利于結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定；結(jié)構(gòu)形態(tài)相對比較簡單，便于工程作業(yè)。

目前關(guān)于防波堤消浪特性的研究大多集中在物理模型試驗(yàn)，但其受到實(shí)驗(yàn)場地、消耗費(fèi)用高、時(shí)間周期長、存在比尺效應(yīng)等條件的制約，而數(shù)值模擬研究能夠很好地解決上述問題，因此獲得了廣泛應(yīng)用。VOF方法可以很好地處理自由面的強(qiáng)非線性現(xiàn)象，而且計(jì)算速度快、占用計(jì)算機(jī)存儲量小。在波浪與防波堤等結(jié)構(gòu)物進(jìn)行相互作用時(shí)，變形十分顯著，非線性特征明顯，利用VOF方法可以比較準(zhǔn)確地描述波浪與防波堤作用的過程。長時(shí)間以來，諸多學(xué)者對VOF方法進(jìn)行了多次改進(jìn)，使得兩相流、多相流的計(jì)算精度越來越高，計(jì)算維度也由二維拓展到三維，差分格式和邊界適用條件處理越來越合理，模型的網(wǎng)格已由傳統(tǒng)的二維網(wǎng)格結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格發(fā)展到現(xiàn)在的三維、正交、自適應(yīng)和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格等。本文基于VOF方法，建立三維波浪數(shù)值水槽，對新型圓弧護(hù)面透空式防波堤消浪特性開展數(shù)值模擬研究工作。

2.基本方法

2.1控制方程

本文在流體的不可壓縮假定條件下，基于N-S方程，建立數(shù)值模型，構(gòu)建三維波浪數(shù)值水槽，對新型圓弧護(hù)面透空式防波堤消浪特性開展數(shù)值模擬研究工作，其控制方程表達(dá)如下：

3.數(shù)值模型的建立與驗(yàn)證

3.1模型的建立

基于上述數(shù)值理論，如圖1所示，構(gòu)建與實(shí)驗(yàn)室中波浪水槽實(shí)驗(yàn)相同的三維數(shù)值水槽。數(shù)值水槽的長、寬、高分別為32m×0.8m×1.2m，圓弧護(hù)面透空式防波堤模型的尺寸也根據(jù)物理模型按照1：1設(shè)定。計(jì)算模型網(wǎng)格劃分為最大縱橫比小于3的矩形網(wǎng)格，在防波堤附近進(jìn)行了局部加密處理，根據(jù)波浪要素的變化劃分網(wǎng)格尺寸。

數(shù)值水槽入口設(shè)置為波浪生成邊界，出流邊界設(shè)定為自由出流邊界。由于在波浪條件下，空氣與液體自由面之間存在相互作用，因此液體自由表面邊界壓力應(yīng)該與大氣壓相等，且其速度無沿豎直方向的分量。數(shù)值水槽底部設(shè)定為壁面無滑移邊界。

3.2數(shù)值模型的驗(yàn)證

在數(shù)值計(jì)算中，根據(jù)實(shí)驗(yàn)布置的浪高儀位置，在數(shù)值水槽中設(shè)定相應(yīng)的數(shù)據(jù)提取點(diǎn)，通過防波堤前后的波面曲線和壓力數(shù)據(jù)對數(shù)值模型進(jìn)行驗(yàn)證。圖2和圖3給出了水深h=0.45m、波高H=0.12m、周期T=1.5s時(shí)，防波堤前后的波面曲線和壓力數(shù)據(jù)驗(yàn)證結(jié)果。

從圖中可以看出，本文建立的數(shù)值模型得到的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測值吻合良好，表明該模型能夠用于新型透空式防波堤消浪特性及附近流場結(jié)構(gòu)的計(jì)算分析。

4.結(jié)語

本文基于VOF方法，建立了三維波浪數(shù)值水槽，并在其中設(shè)立了新型圓弧護(hù)面透空式防波堤，通過實(shí)測數(shù)據(jù)對數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果顯示該數(shù)值模擬方法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合良好，表明本文建立的數(shù)值模型可以用于防波堤消浪特性研究及附近流場結(jié)構(gòu)的計(jì)算與分析。

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