新型弧形返浪墻水動力數(shù)值模擬

上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 新型弧形返浪墻水動力數(shù)值模擬 姓名:焦穎穎 申請學(xué)位級別:碩士 專業(yè):港口、海岸及近海工程 指導(dǎo)教師:陳剛 20070101 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 在防波堤和海塘工程中,返浪墻已得到廣泛的應(yīng)用,但是傳統(tǒng)的返浪墻設(shè)置于大堤頂部,大堤高程一般大于設(shè)計高水位和特征波高之和, 因此,返浪墻被用來阻擋波浪在斜坡上爬高后形成的動能已相對減弱的 水體。若在設(shè)計高水位附近設(shè)置返浪墻,并通過設(shè)計新型的胸墻曲線形 式,使之能有效地將接近行進(jìn)波的來波“導(dǎo)回”海洋,可實現(xiàn)降低與防 止越浪的目的,海塘工程造價可顯著降低。 運用基于FLUENT 軟件的二維數(shù)值波浪水槽,采用VOF 方法處理自 由面,應(yīng)用“解析松弛”方法實現(xiàn)了數(shù)值造波-消波。 對規(guī)則波情況下,給出了帶弧形返浪墻的斜坡簡單海堤的水動力載 荷的數(shù)值模擬結(jié)果,計算結(jié)果得到了物理試驗結(jié)果的印證。在圓弧高度 一定的情況下,不同弧面形狀組合的計算結(jié)果表明上部大圓弧設(shè)計有利 于減小越浪量,水動力載荷無顯著增加。在給定堤頂超高的條件下,不 同堤腳超高和弧形返浪墻高度的組合對越浪量有明顯影響:低弧趾超高 和大半徑弧面組合有利于降低越浪量,但水動力載荷也較大;高弧趾超 高和小半徑弧面組合越浪量較大。 針對上海地區(qū)典型斷面條件下適用的新型返浪墻斷面型式及其關(guān)鍵 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 設(shè)計參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬,提出具有實際應(yīng)用價值的新型弧形返浪墻對返浪效果的影響,為進(jìn)一步的工程應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。 關(guān)鍵詞: 返浪墻,水動力載荷,越浪,數(shù)值波浪水槽 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 NUMERICALSIMULATION HYDRODYNAMICFORCE ARCCROWN WALL ABSTRACT seawalls,crown walls alwaysused. crownwalls dikesall largerthan designedhigh water level significantwave height. Crown walls waterafter runup. wecan set crownwall close designedhigh water level, crownwall waterback muchcheaper dike.FLUENT numericalwave flume. Considering incompressibleliquid, primarygoverning equations Reynolds-averagedNavier-Stokes (RANS) equations associated properturbulence model. presentwork, turbulencemodel adoptedassuming. fluidmethod (VOF) freesurface. VOF method traces freesurface shape volumefraction function, which ratiobetween fluidvolume gridcell. integratedwave 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 absorbingapproach implementnumerical wave flume. When regularwave condition, considering simpleslope profile dike crownwall, very nice uniform hydrodynamic forces numericalwave flume. numericalresults physicalmodel results. Almost perfect match calculatedresults show crownwall crownwall. methodcan reduce don’tinfluence hydrodynamicforce. KEY WORDS: crown wall, hydrodynamic force, overtopping, numerical wave flume 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 2-1實際的界面形狀 11 2-2運用PL IC 重構(gòu)技術(shù)得到的界面形狀 12 2-3數(shù)值波浪水槽設(shè)置的示意圖 13 2-4造波區(qū)函數(shù)C 示意圖
. 13 2-5平底數(shù)值波浪水槽示意圖
. 14 2-6二維數(shù)值波浪水槽計算網(wǎng)格 15 2-7一個周期內(nèi)不同時刻的波形圖
. 16 2-8一個周期內(nèi)不同時刻的駐波圖
. 17 2-9直墻結(jié)構(gòu)斷面示意圖 19 2-10模型邊界條件簡圖.. 19 2-11直墻斷面計算網(wǎng)格模型. 20 2-12三種工況下水動力荷載比較圖.. 21 2-13工況C 波浪力時間過程線. 22 2-14工況C 一個波周期直墻上水氣兩相分界點的位置變化曲線
. 22 2-15工況C 一個波周期的波面及流速場圖.. 25 3-1試驗斷面示意圖 27 3-2三種弧形返浪墻幾何尺寸,單位:m. 28 3-3模型邊界條件示意圖 28 3-4模型計算網(wǎng)格的劃分 29 3-5返浪墻受力計算示意圖,水平力Fx,垂向力Fy.. 29 3-6典型水平力和垂向力過程,-
. 30 3-7一個波周期的波面及流速場圖,-
. 32 3-8數(shù)值計算和試驗預(yù)報水平力載荷過程比較,-. 33 3-9數(shù)值計算和試驗預(yù)報垂向力載荷過程比較,-. 34 3-10
數(shù)值計算和試驗預(yù)報水平力載荷過程比較,-
. 35 3-11數(shù)值計算和試驗預(yù)報垂向力載荷過程比較,-
. 36 3-12數(shù)值計算和試驗預(yù)報水平力載荷過程比較,-
. 37 3-13
數(shù)值計算和試驗預(yù)報垂向力載荷過程比較,-
. 38 3-14數(shù)值計算和試驗預(yù)報水平力載荷過程比較,-
. 39 3-15數(shù)值計算和試驗預(yù)報垂向力載荷過程比較,-
. 40 3-16數(shù)值計算和試驗預(yù)報水平力載荷過程比較,-
. 42 3-17數(shù)值計算和試驗預(yù)報垂向力載荷過程比較,-
. 43 3-18數(shù)值計算和試驗預(yù)報水平力載荷過程比較,-
. 44 3-19數(shù)值計算和試驗預(yù)報垂向力載荷過程比較,-
. 45 3-20水動力載荷與周期關(guān)系曲線. 46 3-21水動力載荷與波高關(guān)系曲線. 47 3-22數(shù)值計算和試驗預(yù)報水平力載荷過程比較,-
. 48 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 3-23數(shù)值計算和試驗預(yù)報垂向力載荷過程比較,-
. 49 3-24數(shù)值計算和試驗預(yù)報水平力載荷過程比較,-
. 50 3-25數(shù)值計算和試驗預(yù)報垂向力載荷過程比較,-
. 51 3-26數(shù)值計算和試驗預(yù)報水平力載荷過程比較,-
. 52 3-27數(shù)值計算和試驗預(yù)報垂向力載荷過程比較,-
. 53 3-28水動力載荷與波高關(guān)系曲線. 54 3-29數(shù)值計算和試驗預(yù)報水平力載荷過程比較,-
. 55 3-30數(shù)值計算和試驗預(yù)報垂向力載荷過程比較,-
. 56 3-31數(shù)值計算和試驗預(yù)報水平力載荷過程比較,-
. 57 3-32數(shù)值計算和試驗預(yù)報垂向力載荷過程比較,-
. 58 3-33數(shù)值計算和試驗預(yù)報水平力載荷過程比較,-
. 59 3-34數(shù)值計算和試驗預(yù)報垂向力載荷過程比較,-
. 60 3-35水動力載荷與波高關(guān)系曲線. 61 3-36數(shù)值計算和試驗預(yù)報水平力載荷過程比較,-
. 62 3-37數(shù)值計算和試驗預(yù)報垂向力載荷過程比較,-
. 63 3-38數(shù)值計算和試驗預(yù)報水平力載荷過程比較,-
. 64 3-39數(shù)值計算和試驗預(yù)報垂向力載荷過程比較,-
. 65 3-40數(shù)值計算和試驗預(yù)報水平力載荷過程比較,-
. 66 3-41數(shù)值計算和試驗預(yù)報垂向力載荷過程比較,-
. 67 3-42水動力載荷與波高關(guān)系曲線. 68 3-43數(shù)值計算和試驗預(yù)報水平力載荷過程比較,-
. 69 3-44數(shù)值計算和試驗預(yù)報垂向力載荷過程比較,-
. 70 3-45數(shù)值計算和試驗預(yù)報水平力載荷過程比較,-
. 71 3-46數(shù)值計算和試驗預(yù)報垂向力載荷過程比較,-
. 72 3-47數(shù)值計算和試驗預(yù)報水平力載荷過程比較,-
. 73 3-48數(shù)值計算和試驗預(yù)報垂向力載荷過程比較,-
. 74 3-49水動力載荷與波高關(guān)系曲線. 75 3-50水動力載荷與墻趾超高關(guān)系曲線
 76 3-51水動力載荷與返浪墻高及墻趾超高組合關(guān)系曲線
 77 3-52水動力載荷與墻趾超高關(guān)系曲線
 78 3-53水動力載荷與返浪墻高及墻趾超高組合關(guān)系曲線
 79 3-54水動力載荷與墻趾超高關(guān)系曲線
 80 4-1不同弧面線性示意圖 81 4-2不同工況越浪量比較
. 82 4-3返浪墻受力計算示意圖,水平力Fx,垂向力Fy.
. 83 4-4不同弧面形狀水動力載荷時間過程
. 85 4-5不同圓弧半徑與堤腳超高組合示意圖 
86 4-6不同工況越浪過程波面及速度場比較 
90 4-7不同工況水動力載荷比較

. 95 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 FiguresFigure 2-1 Actual interface shape 11 Figure 2-2 Interface shape represented geometricreconstruction (piecewise-linar) scheme 12Figure 2-3 Sketch numericalwave flume. 13 Figure 2-4 Function wavemaker zone.. 13 Figure 2-5 Setup numericalwave flume 14Figure 2-6 Computational grid constantdepth 15 Figure 2-7 Wave surface elevation progressivewaves differenttime.. 16 Figure 2-8 Wave surface elevation standingwaves differenttime 17Figure 2-9 Sketch verticalwall 19Figure 2-10 Setup modelboundary condition 19 Figure 2-11 Computational grid verticalwall 20Figure 2-12 Comparison forcesamong three different conditions.. 21 Figure 2-13 Time history 22Figure 2-14 Time history surfaceelevation onewave period, 22Figure 2-15 Snap-shot surfaceelevation velocityfield onewave period, 25Figure 3-1 Sketch 27Figure 3-2 Sketch arccrown walls. 28 Figure 3-3 Setup modelboundary condition.. 28 Figure 3-4 Computational grid seawall29 Figure 3-5 Wave forces arccrown wall 29Figure 3-6 Time history waveforces, 30Figure 3-7 Snap-shot surfaceelevation velocityfield onewave period, 32Figure 3-8 Comparison measuredhorizontal force, 33Figure 3-9 Comparison measuredvertical force, 34Figure 3-10 Comparison measuredhorizontal force, 35Figure 3-11 Comparison measuredvertical force, 36Figure 3-12 Comparison measuredhorizontal force, 37Figure 3-13 Comparison measuredvertical force, 38Figure 3-14 Comparison measuredhorizontal force, 39Figure 3-15 Comparison measuredvertical force, 40Figure 3-16 Comparison measuredhorizontal force, 42Figure 3-17 Comparison measuredvertical force, 43Figure 3-18 Comparison measuredhorizontal force, 44Figure 3-19 Comparison measuredvertical force, 45Figure 3-20 Wave forces versus wave period.. 46 Figure 3-21 Wave forces versus wave height 47上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 Figure3-22 Comparison measuredhorizontal force, 48Figure 3-23 Comparison measuredvertical force, 49Figure 3-24 Comparison measuredhorizontal force, 50Figure 3-25 Comparison measuredvertical force, 51Figure 3-26 Comparison measuredhorizontal force, 52Figure 3-27 Comparison measuredvertical force, 53Figure 3-28 Wave forces versus wave height 54Figure 3-29 Comparison measuredhorizontal force, 55Figure 3-30 Comparison measuredvertical force, 56Figure 3-31 Comparison measuredhorizontal force, 57Figure 3-32 Comparison measuredvertical force, 58Figure 3-33 Comparison measuredhorizontal force, 59Figure 3-34 Comparison measuredvertical force, 60Figure 3-35 Wave forces versus wave height

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