新型弧形返浪墻水動(dòng)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(dòng)力數(shù)值模擬 姓名:焦穎穎 申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士 專(zhuān)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(jì)高水位和特征波高之和, 因此,返浪墻被用來(lái)阻擋波浪在斜坡上爬高后形成的動(dòng)能已相對(duì)減弱的 水體。若在設(shè)計(jì)高水位附近設(shè)置返浪墻,并通過(guò)設(shè)計(jì)新型的胸墻曲線形 式,使之能有效地將接近行進(jìn)波的來(lái)波“導(dǎo)回”海洋,可實(shí)現(xiàn)降低與防 止越浪的目的,海塘工程造價(jià)可顯著降低。 運(yùn)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(shí)現(xiàn)了數(shù)值造波-消波。 對(duì)規(guī)則波情況下,給出了帶弧形返浪墻的斜坡簡(jiǎn)單海堤的水動(dòng)力載 荷的數(shù)值模擬結(jié)果,計(jì)算結(jié)果得到了物理試驗(yàn)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(jì)算結(jié)果表明上部大圓弧設(shè)計(jì)有利 于減小越浪量,水動(dòng)力載荷無(wú)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(duì)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(dòng)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(duì)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(jì)參數(shù)進(jìn)行數(shù)值模擬,提出具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的新型弧形返浪墻對(duì)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(dòng)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(shí)際的界面形狀 11 2-2運(yùn)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(jì)算網(wǎng)格 15 2-7一個(gè)周期內(nèi)不同時(shí)刻的波形圖
. 16 2-8一個(gè)周期內(nèi)不同時(shí)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(jiǎn)圖.. 19 2-11直墻斷面計(jì)算網(wǎng)格模型. 20 2-12三種工況下水動(dòng)力荷載比較圖.. 21 2-13工況C 波浪力時(shí)間過(guò)程線. 22 2-14工況C 一個(gè)波周期直墻上水氣兩相分界點(diǎn)的位置變化曲線
. 22 2-15工況C 一個(gè)波周期的波面及流速場(chǎng)圖.. 25 3-1試驗(yàn)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(jì)算網(wǎng)格的劃分 29 3-5返浪墻受力計(jì)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(guò)程,-
. 30 3-7一個(gè)波周期的波面及流速場(chǎng)圖,-
. 32 3-8數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)水平力載荷過(guò)程比較,-. 33 3-9數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)垂向力載荷過(guò)程比較,-. 34 3-10
數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)水平力載荷過(guò)程比較,-
. 35 3-11數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)垂向力載荷過(guò)程比較,-
. 36 3-12數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)水平力載荷過(guò)程比較,-
. 37 3-13
數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)垂向力載荷過(guò)程比較,-
. 38 3-14數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)水平力載荷過(guò)程比較,-
. 39 3-15數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)垂向力載荷過(guò)程比較,-
. 40 3-16數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)水平力載荷過(guò)程比較,-
. 42 3-17數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)垂向力載荷過(guò)程比較,-
. 43 3-18數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)水平力載荷過(guò)程比較,-
. 44 3-19數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)垂向力載荷過(guò)程比較,-
. 45 3-20水動(dòng)力載荷與周期關(guān)系曲線. 46 3-21水動(dòng)力載荷與波高關(guān)系曲線. 47 3-22數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)水平力載荷過(guò)程比較,-
. 48 上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文 3-23數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)垂向力載荷過(guò)程比較,-
. 49 3-24數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)水平力載荷過(guò)程比較,-
. 50 3-25數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)垂向力載荷過(guò)程比較,-
. 51 3-26數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)水平力載荷過(guò)程比較,-
. 52 3-27數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)垂向力載荷過(guò)程比較,-
. 53 3-28水動(dòng)力載荷與波高關(guān)系曲線. 54 3-29數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)水平力載荷過(guò)程比較,-
. 55 3-30數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)垂向力載荷過(guò)程比較,-
. 56 3-31數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)水平力載荷過(guò)程比較,-
. 57 3-32數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)垂向力載荷過(guò)程比較,-
. 58 3-33數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)水平力載荷過(guò)程比較,-
. 59 3-34數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)垂向力載荷過(guò)程比較,-
. 60 3-35水動(dòng)力載荷與波高關(guān)系曲線. 61 3-36數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)水平力載荷過(guò)程比較,-
. 62 3-37數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)垂向力載荷過(guò)程比較,-
. 63 3-38數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)水平力載荷過(guò)程比較,-
. 64 3-39數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)垂向力載荷過(guò)程比較,-
. 65 3-40數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)水平力載荷過(guò)程比較,-
. 66 3-41數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)垂向力載荷過(guò)程比較,-
. 67 3-42水動(dòng)力載荷與波高關(guān)系曲線. 68 3-43數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)水平力載荷過(guò)程比較,-
. 69 3-44數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)垂向力載荷過(guò)程比較,-
. 70 3-45數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)水平力載荷過(guò)程比較,-
. 71 3-46數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)垂向力載荷過(guò)程比較,-
. 72 3-47數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)水平力載荷過(guò)程比較,-
. 73 3-48數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)預(yù)報(bào)垂向力載荷過(guò)程比較,-
. 74 3-49水動(dòng)力載荷與波高關(guān)系曲線. 75 3-50水動(dòng)力載荷與墻趾超高關(guān)系曲線
 76 3-51水動(dòng)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(dòng)力載荷與墻趾超高關(guān)系曲線
 78 3-53水動(dòng)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(dòng)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(jì)算示意圖,水平力Fx,垂向力Fy.
. 83 4-4不同弧面形狀水動(dòng)力載荷時(shí)間過(guò)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(guò)程波面及速度場(chǎng)比較 
90 4-7不同工況水動(dòng)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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