带异形块体海堤越浪的数值模拟

该文在FLUENT软件平台上，发展了数值消波-造波技术，通过在动量方程里添加多孔介质源项，建立了带有多孔介质模型的二维数值波浪水槽。应用该数值波浪水槽，数值模拟了在斜坡堤坡面上铺设异形块体情况下的越浪过程，给出了越浪量。为了率定异形块体的等效惯性阻力系数，进行了典型工况的物理模型实验，给出了在斜坡堤坡面上不同位置处铺设一层异形块体情况下多孔介质模型的等效阻力系数。     

NUMERICAL SIMULATION OF SOLITARY WAVE RUN-UP AND OVER-TOPPING USING BOUSSINESQ-TYPE MODEL

In this article,the use of a high-order Boussinesq-type model and sets of laboratory experiments in a large scale flume of breaking solitary waves climbing up slopes with two inclinations are presented to study the shoreline behavior of breaking and non-breaking solitary waves on plane slopes.The scale effect on run-up height is briefly discussed.The model simulation capability is well validated against the available laboratory data and present experiments.Then,serial numerical tests are conducted to study the shoreline motion correlated with the effects of beach slope and wave nonlinearity for breaking and non-breaking waves.The empirical formula proposed by Hsiao et al.for predicting the maximum run-up height of a breaking solitary wave on plane slopes with a wide range of slope inclinations is confirmed to be cautious.Furthermore,solitary waves impacting and overtopping an impermeable sloping seawall at various water depths are investigated.Laboratory data of run-up height,shoreline motion,free surface elevation and overtopping discharge are presented.Comparisons of run-up,run-down,shoreline trajectory and wave overtopping discharge are made.A fairly good agreement is seen between numerical results and experimental data.It elucidates that the present depth-integrated model can be used as an efficient tool for predicting a wide spectrum of coastal problems.     

AN EXPERIMENTAL OBSERVATION OF A SOLITARY WAVE IMPINGE-MENT,RUN-UP AND OVERTOPPING ON A SEAWALL

A sequence of laboratory experiments using solitary waves was performed to model the effect of leading form of three types of tsunamis(a bore,an impinging wave and an overtopping wave)on a seawall on a sloping beach.The wave evolution process,impinging pressure along the seawall surface,total overtopping discharge behind the seawall and the maximum run-up height on the rear slope were measured and compared.Laboratory data were employed to re-examine relevant empirical formulae in the literature.The effect of the presence of the seawall in reducing maximum run-up height using the present setup was briefly discussed.The present data can be used for calibrating numerical and mathematical models.     

高滩陡坡地形下电力设施海堤的越浪量试验

以浙江舟山某海岛高滩陡坡地形下的电力设施海堤为例,通过物理模型试验,分别研究了平台宽度、平台超高、防浪墙高度对海堤越浪量的影响,并采用方差分析法进行了敏感性分析。结果表明:平台超高对越浪量的影响最为显著,防浪墙高度次之,平台宽度影响最小;无量纲形式下的越浪量随防浪墙顶超高的增大呈现较明显的指数递减关系。据此提出了电力设施海堤防浪结构的合理设置方式。     

不同护坡条件下波浪溢流海堤内坡水动力特征

波浪溢流指强风暴潮引起堤前水位超过堤顶,海堤受到的越浪与溢流联合作用。波浪溢流一旦发生,极易引起大范围的海堤内坡侵蚀乃至溃堤,产生灾难性后果。基于1:1的大型水槽试验,分析了波浪溢流过程中不同海堤内坡护坡条件下(碾压混凝土、铰接式护坡砖和高性能加筋草皮)海堤内坡水力学特征;建立了相应的内坡平均水深和平均流速计算模型,计算结果表明波浪溢流过程中海堤内坡上的波高分布仍符合瑞利分布,并分析了内坡上的特征波高和特征峰值水深之间的换算关系;提出了波浪溢流过程中海堤内坡上的均方根波高和波速经验计算式。     

斜坡式海堤结构尺度对越浪量的影响研究

为系统研究坡式海堤结构尺度对越浪量的影响,开展了相关波浪水槽试验,在观察越浪量试验现象的基础上,分别研究了斜坡坡度、防浪墙顶超高、防浪墙高度对斜坡式海堤越浪量的影响。结果表明:防浪墙顶超高对越浪量的影响最为显著,越浪量随防浪墙顶超高的增大而减小,且减小趋势随之变缓,无量纲形式下的越浪量随相对防浪墙顶超高的增大呈现较明显的指数递减关系;随着斜坡坡度的增大,因斜坡面上损耗能量的增加大于反射能量的减少,越浪量总体呈现减小的变化趋势,斜坡坡度对越浪量的影响不及防浪墙顶超高;防浪墙顶超高一旦确定,防浪墙高度对越浪量的影响相对较小。     

孤立波翻越防波堤流动的湍流数值模拟

应用湍流数学模型和流体体积法模拟孤立波翻越防波堤的流动和自由表面变化。数模成功地再现了波浪涌顶和喷射、射流入水、自由表面破碎和漩涡产生等复杂流动过程,并获得了孤立波翻越防波堤时的压力分布。     

利用Fluent软件对植物坝覆盖区域流场的数值模拟

利用计算流体力学软件Fluent,用VOF方法追踪自由水面,对有植物坝覆盖的水槽二维两相流场进行数值模拟,采用多孔介质域模拟植物坝覆盖区域,以多孔介质前后压强配合孔隙率来确定渗透率。将数值计算得到的流速值与模型试验流速值实测结果进行比对,研究表明两者吻合较好。     

基于N-S方程的波浪与可渗防波堤相互作用的数值模拟

采用N-S方程作为波浪场和孔隙流域的控制方程,应用有限差分方法对控制方程进行离散求解,采用VOF方法跟踪自由表面,反复迭代求解得到整个流域的压力场和速度场,并分析堤后渗透波高随入射波高、入射波周期的变化规律。最后结合波浪水槽物理模型试验验证本文所建立的数学模型,验证结果表明,此文所建立的数学模型可较好的模拟波浪与可渗防波堤的相互作用。     

基于RANS方程的海堤越浪数值模拟

基于FLUENT商业化软件,以RANS方程为控制方程,基于有限体积法,采用k-epsilon湍流模型,运用一种“解析松弛”方法实现了适用于VOF方法的数值源造波技术。在该数值波浪水槽中对规则波在不可渗透简单斜坡堤上越浪过程进行了数值模拟,将越浪量计算值同物理实验结果及基于非线性浅水方程的数值结果进行了比对。结果表明：该数值模型能够较好地复演海堤越浪过程,同基于非线性浅水方程的数值结果相比,能更有效地模拟含有强烈卷吸、射流和破碎的海堤越浪问题。     

应对超高水位的海堤加高方案波浪模型试验研究

通过对波浪越浪量、波压力等要素的测定与分析,对超高水位及相应台风大浪下的海堤加高方案进行了初步探索。试验实例表明,在堤顶内侧设置一定高度的挡墙可挡住越浪水体下部的楔形连片水体,从而有效减少作用于海堤背坡的越浪量,该例中堤顶内侧挡墙的实测最大越浪压力达到148.8 kPa,作用位置可在挡墙底部或近底部。     

海啸波作用下植被区海堤局部冲刷试验

近年来频发的海啸造成了沿岸建筑物周围剧烈的冲刷,而植物具有很好的减小海啸灾害的作用。采用PVC圆管概化模拟刚性植物,选取孤立波模拟海啸波,通过改变入射波高、植物带长度和密度、堤顶出水高度,研究植物对海啸波作用下海堤局部冲刷的影响,建立了海堤堤前冲刷坑、淤积沙坝、冲淤平衡点相对水平位置的尺度与植物带的长度和密度、波高、堤顶出水高度、泥沙比重以及岸滩坡度之间的关系式。试验结果表明:植物对海堤局部冲淤变化产生显著影响,植物带使得堤后近岸侧相对最大冲刷深度显著减小,堤前离岸侧冲刷位置由原堤脚处前移至植物带所在位置,冲刷范围大幅增加;堤前冲淤面积受入射波高和植物因素的共同影响,在同一植物模型下,冲刷坑面积和淤积沙坝面积都随入射波高的增大而增加;适当增大植物带密度,优化植物分布方式,可有效减弱海啸波对海堤的冲刷危害。     

黏性波浪场与半潜平台相互作用的数值模拟

以N-S方程为控制方程,采用动量源方法,结合追踪自由面的VOF方法,基于FLUENT求解器,建立了同时具有造波和消波功能的数值波浪水槽.利用该数值水槽对黏性波浪场与半潜平台的相互作用问题进行了数值模拟,获得了黏性波浪场作用下半潜平台水动力载荷及其立柱表面波浪爬高的时历特性.研究表明,利用所建立的数值波浪水槽来研究黏性波浪场与深海平台非线性相互作用是一条有效的途径.     

板桩式海堤结构有限元数值模拟分析

为改变浙江沿海海堤功能单一,土石料用量大的缺点,开展新型海堤结构研究。对板桩式海堤结构进行有限元数值模拟研究,分析在竖向荷载及回填土压力作用下,结构的变形及承载能力。可以得出,桩土的位移量均不大,土体未发生明显的塑性变形,桩身应力不大,可进行实际工程的应用。     

Numerical simulation of flow through circular array of cylinders using porous media approach with non-constant local inertial resistance coefficient

Aquatic vegetation zone is now receiving an increasing attention as an effective way to protect the shorelines and riverbeds. To simulate the flow through the vegetation zone, the vegetation elements are often simplified as equidistant rigid cylinders, and in the whole zone, the porous media approach can be applied. In this study, a non-constant inertial resistance coefficient is introduced to model the unevenly distribution of the drag forces on the cylinders, and an improved porous media approach is applied to one circular array of cylinders positioned in a 2-D flume. The calculated velocity profile is consistent with the experimental data.     

淹没丁坝端坡对附近水流结构的调整作用

工程应用中的丁坝往往具有一定的端坡,而且经常处于淹没状态。为了研究端坡对淹没状态下丁坝附近水流结构的调整作用,采用水槽试验和三维浅水模型相结合的方法,分析淹没时丁坝阻水面积相等条件下坝头直立和具有一定端坡时丁坝附近的表层平面流场、底层平面流速分布和底层切应力分布情况。结果表明:淹没程度?H/H?0.17时,丁坝下游仍出现回流区,端坡系数m等于1时相对回流长度和坝头附近流向偏角最大;存在一定端坡时,坝头附近临近底床平面强流速范围和底床切应力范围显著减小或消失,m等于7时能够将丁坝附近流场调整得较为均匀。     

钱塘江北岸老海塘塘脚防冲工程技术

介绍钱塘江北岸明清老海塘概况和工程自然条件 .提出运用板桩防冲墙技术解决塘脚防冲技术难题 ,并研制出可以遥控操作的多功能打桩机 .该技术在海宁明清海塘塘脚防冲工程中应用9 9km ,节省投资 5 2 0 0万元 ,并已在类似工程中推广应用 .     

土石坝漫顶过程水力特性分析

土石坝漫顶过程极其复杂,溃决过程研究成果存在诸多争议。采用标准k~ε紊流模型和VOF方法对土石坝水流漫顶过程进行了水气两相流数值模拟,对漫顶过程水流流态、流速分布等进行了详细分析,揭示了坝面切应力分布规律。该规律的发现可以用于解释笔者先前提出的"落点冲蚀"猜想及"剪剥式"冲蚀理论,即漫顶条件下最先发生冲蚀的部位可能在坝坡中上部,漫顶冲蚀以台阶式冲蚀为溃决的主要特征。     

Study of fluid resonance between two side-by-side floating barges

The hydrodynamic interaction between two vessels in a side-by-side configuration attracted research attentions in recent years. However, because the conventional potential flow theory does not consider the fluid viscosity, in the hydrodynamic results, the wave elevations were overestimated in the narrow gap under resonance conditions. To overcome this limitation and investigate the complex fluid flow around multiple bodies in detail, this study examines the fluid resonance between two identical floating barges using a viscous flow analysis program FLOW-3D. The volume of fluid method is implemented for tracking the free surface, and a porous media model is used near the outflow boundary to enhance the wave absorption. A three-dimensional numerical wave basin is established and validated by comparison with the waves generated using theoretical values. On this basis, a computational fluid dynamics(CFD) simulation of the two barges in a resonance wave period is performed, and the wave elevations, the fluid flow around the barges, and the motions of the barges are discussed. The numerical simulation is verified by comparison with results of corresponding experimental data.     

内孤立波环境下柱体的受力特性

针对以往孤立波对柱体作用研究多只针对柱体的整体受力开展,少有研究精细获取柱体不同部位受力特性的问题,借助三维大涡模拟(LES)数值波浪水槽,通过提取柱周流场及压强分布,得到柱体所受压差阻力及黏滞力的垂向分布,对柱体在孤立波环境中的受力特性进行了分析,并采用多元线性回归分析,构造综合影响参数分析了柱体受力特性,构建了柱体受力系数经验表达式。结果表明:上下层水体中方柱所受压差阻力约分别为圆柱的1.5倍和3.5倍;作用于柱体上的黏滞力比压差阻力小1或2个数量级,可忽略流体的黏性效应;综合影响参数与相对波幅正相关,与上下水深比负相关。