圓弧面防波堤的水力特性研究

丁宏卿 張 翔

(河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，河北保定 071002)

1 概述

圓弧面防波堤是在半圓形防波堤應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上開發(fā)的一種新型防波堤。

目前研究得比較多的是計(jì)算波浪力的經(jīng)驗(yàn)公式，數(shù)值模擬方面也做了一定的工作。本文用NEWFLUME數(shù)值水槽模擬波浪作用于防波堤的全過程。

2 數(shù)學(xué)模型的建立

2.1 NEWFLUME 數(shù)值水槽

由于破碎波復(fù)雜的流動(dòng)和紊流結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在這一現(xiàn)象的模擬已經(jīng)成為眾多海岸研究者的熱點(diǎn)研究課題。Lin和Liu(1998)提出了一個(gè)二維數(shù)值模型，基于雷諾平均的NS方程求解平均流動(dòng)，采用改進(jìn)的k—ε方程模擬紊流輸移，從而封閉NS方程。模型已經(jīng)通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證。模型有了多方面改進(jìn)，如增加了多孔介質(zhì)內(nèi)流動(dòng)的模擬功能，增加了內(nèi)部源函數(shù)造波功能等。

2.2NEWFLUME 建模

對(duì)于波源，有邊界造波和內(nèi)部源函數(shù)造波兩種方法。

邊界造波法:由于大多數(shù)周期波浪理論都會(huì)出現(xiàn)質(zhì)量?jī)糨斠片F(xiàn)象，而邊界造波法指定自由表面位移和速度值，因此會(huì)有凈質(zhì)量流進(jìn)入計(jì)算域，累計(jì)后會(huì)導(dǎo)致計(jì)算溢出。

源函數(shù)造波法:采用源函數(shù)域內(nèi)造波法的優(yōu)勢(shì)在于不用指定邊界處的波浪條件，避免邊界波浪反射問題，并且由于波浪在域內(nèi)產(chǎn)生，因此左右邊界都可以設(shè)置為輻射邊界條件，很容易就可以吸收外傳的波列。

本文采用內(nèi)部源函數(shù)造波，為了保證波浪作用防波堤的穩(wěn)定，源函數(shù)造波區(qū)域離防波堤的距離為3倍～5倍的波長(zhǎng)。

3 波浪要素及防波堤設(shè)計(jì)斷面

3.1 波浪要素

實(shí)驗(yàn)采用1/4圓弧沉箱防波堤進(jìn)行不規(guī)則同步壓力試驗(yàn)。模型按重力相似準(zhǔn)則，幾何比尺1∶36。

波浪要素分組如表1所示。

表1 波浪要素

實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪前粗亓ο嗨茰?zhǔn)則設(shè)計(jì)，幾何比尺1∶36。根據(jù)重力相似準(zhǔn)則，試驗(yàn)采用的波高為實(shí)際波高的1/36，而試驗(yàn)周期為實(shí)際周期的1/6。得到的試驗(yàn)波高和周期見表2。

表2 試驗(yàn)的波高和周期

3.2 防波堤斷面設(shè)計(jì)尺寸

斷面圖見圖1。

4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果后處理

本研究重在計(jì)算堤體上的波浪力。圖2～圖4是數(shù)值模型指定位置的位移、速度、壓力的時(shí)間歷程曲線圖。

由圖2～圖4可以得出，水平速度與自由表面位移具有相同的相位，垂向速度則有90°的相位差。

5 結(jié)語

通過NEWFLUME數(shù)值水槽模擬波浪作用于防波堤的全過程，可以得出以下結(jié)論:

1)NEWFLUME數(shù)值水槽?？梢詫?duì)防波堤進(jìn)行詳細(xì)分析，可以得到質(zhì)量、動(dòng)能、勢(shì)能等一系列數(shù)據(jù)，可應(yīng)用到實(shí)際工程中去。2)NEWFLUME數(shù)值水槽模在利用輸出文件生成圖形過程中，會(huì)出現(xiàn)一些額外的誤差。

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