新型防波堤消浪特性數值模型的建立與驗證

王飛

摘 要：為探究新型圓弧護面透空式防波堤的水動力特性，建立三維數值波浪水槽，對其開展模擬研究工作。本文從模型的建立、自由面追蹤技術和方程的離散求解等方面對數學模型進行了詳細的闡述，利用實驗數據對計算結果進行了驗證，驗證結果表明，該數值模擬方法的計算結果與實驗數據有很好的相關性，證明本文構建的數值模型可以用于防波堤的波浪結構特點分析和附近的流場計算研究。

關鍵詞：VOF方法 三維數值水槽 防波堤 水動力特性 數學模型

1.引言

為保證水體交換，改善港口水質環境和滿足低成本的要求，港工構建物正朝著透空式結構的方向發展。圓弧形護面透空式防波堤作為一種新型、有效的防浪結構物，開始受到學者和工程師的廣泛關注，其優點主要有：在防波堤內外可進行自由的水體交換，對海洋生態環境的影響比較?。唤Y構內部不需要填充，可節約砂、石料，以降低成本；圓弧形護面更容易減小波浪的直接撞擊，有利于結構的安全穩定；結構形態相對比較簡單，便于工程作業。

目前關于防波堤消浪特性的研究大多集中在物理模型試驗，但其受到實驗場地、消耗費用高、時間周期長、存在比尺效應等條件的制約，而數值模擬研究能夠很好地解決上述問題，因此獲得了廣泛應用。VOF方法可以很好地處理自由面的強非線性現象，而且計算速度快、占用計算機存儲量小。在波浪與防波堤等結構物進行相互作用時，變形十分顯著，非線性特征明顯，利用VOF方法可以比較準確地描述波浪與防波堤作用的過程。長時間以來，諸多學者對VOF方法進行了多次改進，使得兩相流、多相流的計算精度越來越高，計算維度也由二維拓展到三維，差分格式和邊界適用條件處理越來越合理，模型的網格已由傳統的二維網格結構化網格發展到現在的三維、正交、自適應和非結構化網格等。本文基于VOF方法，建立三維波浪數值水槽，對新型圓弧護面透空式防波堤消浪特性開展數值模擬研究工作。

2.基本方法

2.1控制方程

本文在流體的不可壓縮假定條件下，基于N-S方程，建立數值模型，構建三維波浪數值水槽，對新型圓弧護面透空式防波堤消浪特性開展數值模擬研究工作，其控制方程表達如下：

3.數值模型的建立與驗證

3.1模型的建立

基于上述數值理論，如圖1所示，構建與實驗室中波浪水槽實驗相同的三維數值水槽。數值水槽的長、寬、高分別為32m×0.8m×1.2m，圓弧護面透空式防波堤模型的尺寸也根據物理模型按照1：1設定。計算模型網格劃分為最大縱橫比小于3的矩形網格，在防波堤附近進行了局部加密處理，根據波浪要素的變化劃分網格尺寸。

數值水槽入口設置為波浪生成邊界，出流邊界設定為自由出流邊界。由于在波浪條件下，空氣與液體自由面之間存在相互作用，因此液體自由表面邊界壓力應該與大氣壓相等，且其速度無沿豎直方向的分量。數值水槽底部設定為壁面無滑移邊界。

3.2數值模型的驗證

在數值計算中，根據實驗布置的浪高儀位置，在數值水槽中設定相應的數據提取點，通過防波堤前后的波面曲線和壓力數據對數值模型進行驗證。圖2和圖3給出了水深h=0.45m、波高H=0.12m、周期T=1.5s時，防波堤前后的波面曲線和壓力數據驗證結果。

從圖中可以看出，本文建立的數值模型得到的計算結果與實測值吻合良好，表明該模型能夠用于新型透空式防波堤消浪特性及附近流場結構的計算分析。

4.結語

本文基于VOF方法，建立了三維波浪數值水槽，并在其中設立了新型圓弧護面透空式防波堤，通過實測數據對數值計算結果進行了驗證，驗證結果顯示該數值模擬方法的計算結果與實測數據吻合良好，表明本文建立的數值模型可以用于防波堤消浪特性研究及附近流場結構的計算與分析。

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