用三維雷諾時均模型模擬小尺度組合樁柱上的波浪力.pdf

1、波浪是海岸、海洋工程最重要的動力因素之一.海上結(jié)構(gòu)物所承受的波浪荷載通常是結(jié)構(gòu)物設(shè)計的控制荷載,它對工程的造價、安全度及壽命起著重要作用. 因此,研究海浪對結(jié)構(gòu)物的作用是很重要的.海岸和海洋工程中,把特征尺度D與波浪的特征波長L的比值滿足D/L≤0.15的結(jié)構(gòu)物稱為小尺度結(jié)構(gòu)物,小尺度樁柱的組合結(jié)構(gòu)在實際工程中應(yīng)用十分廣泛. 本文采用時變雷諾方程作為控制方程,并用κ-ε湍流模型來封閉雷諾方程,建立了模擬波浪與結(jié)構(gòu)物相互作

2、用的三維數(shù)學(xué)模型.采用能模擬波浪破碎的流體體積函數(shù)(VOF)方法跟蹤波動自由表面；為了避免在網(wǎng)格內(nèi)采用斜面表示自由表面時的復(fù)雜的幾何計算,采用"施主一受主"算法計算網(wǎng)格內(nèi)的流體體積函數(shù)值,并在網(wǎng)格內(nèi)用水平或垂直的平面重構(gòu)自由表面.采用能消去造波板二次反射的可吸收式數(shù)值造波機進行數(shù)值造波；在開邊界處,采用了適合本模型的海綿層吸收方法. 雷諾方程的求解采用兩步投影法:第一步,不考慮壓強梯度對速度場的貢獻,即在動量方程中略去壓力梯度項

3、,且時間項采用向前差分,得到中間速度場；第二步將此速度場向無散度的空間投影,得到滿足連續(xù)性方程的流場.積分壓強得到小尺度結(jié)構(gòu)物上的慣性力,利用速度場計算得到小尺度結(jié)構(gòu)物上的粘性力. 為了驗證模型對流場和自由面的模擬以及小尺度樁柱波浪力計算的準確性,本文用數(shù)學(xué)模型模擬了(1) 孤立波在直立墻前的爬高過程 (2) 小尺度孤立柱上受到的波浪力,用解析解和實驗結(jié)果進行了驗證,數(shù)值結(jié)果與解析解和實驗結(jié)果符合較好. 利用本文建立的數(shù)