植被对波浪作用下床面切应力和湍动能影响的数值模拟分析

作     者：葛昭佩 

作者单位：大连理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：唐军

授予年度：2022年

学科分类：081505[工学-港口、海岸及近海工程] 08[工学] 0815[工学-水利工程] 0824[工学-船舶与海洋工程] 0814[工学-土木工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：海岸植被 OpenFOAM 植被拖曳应力 波浪底部切应力 湍流动能 

摘      要：近年来随着生态观念的提高和可持续性保护的要求,海岸工程趋向于以植被护岸为代表的非侵入式生态海岸防护。植被水域中的水动力过程是植被固滩护岸的重要控制因素之一,植被的阻力作用是消浪缓流的主要原因,同时床面切应力和湍流动能是泥沙运动的重要参数,分析三者在植被水域的变化规律,有助于了解植被固滩护岸机制,对于建设生态海岸防护工程具有一定的指导意义。本文基于OpenFOAM构建植被水域数值波浪水槽,研究了植被拖曳应力系数、植被水域床面切应力及湍流动能三方面内容。主要工作如下:(1)模拟分析了植被引起的波浪拖曳应力系数(C)。C是反应植被阻力作用的关键参数,直接影响概化数值模型的准确性。首先本文在数值模型中将植被视为柱体直接模拟植被周边波浪场,而后利用Morison公式计算C,分析水动力参数及植被密度对C的影响,以便下文应用概化数值模型时准确选择C。结果表明:在本文模拟条件下,C随茎雷诺数(Re)、KC数、厄塞尔数(Ur)的增大而减小,随着相对水深(kh)的增大而增大,在相同kh下,C随波陡(A/L)的增大而减小;在相同Re或KC下,波流时C小于纯波;纯波时C与Re、KC、Ur均具有较好的相关性,相关性依次为KCUrRe;本文研究的三种植被密度下植被分布间距相对较大,对C没有明显影响。(2)模拟分析了植被对波浪床面切应力的影响。数值模型中以源项的方式概化植被对波浪的耗散作用,通过计算全水深速度场及边界层内速度梯度而直接计算床面切应力分布,分析波浪要素、植被特征参数及流速对最大床面切应力的影响。结果表明:植被水域最大床面切应力在纯波及弱水流时沿程逐渐衰减,在强水流时沿程先增大后减小并在植被尾端大幅降低;最大床面切应力衰减系数随波高、植被密度、植被淹没高度的增加而增大,随周期、水深的增大而减小;当相对流速较小时(约在Uc0.5Uw)最大床面切应力衰减系数较纯波时无明显变化,之后随着流速不断增大衰减系数明显增大。(3)模拟分析了植被对波浪湍动能的影响。应用考虑植被茎生湍流的-模型计算植被水域湍流动能,分析波浪要素、植被密度对湍流动能的影响。结果表明:植被水域湍流动能在小周期时沿水深逐渐减小,然而在较大周期时则呈现先稍增大后减小的趋势;波浪在植被水域传播一定距离后湍流动能达到最大值而后逐渐减小;湍流动能与入射波高、周期和植被分布密度呈正相关,与水深呈负相关;植被垂向密度不均时,由于存在剪切层而在局部产生剪切湍流,使得植被水域湍流动能整体增大;将湍流动能模拟值与茎生湍流预测公式进行拟合,结果具有较高的相关性。