风影响下孤立波在岸礁上传播变形及与直立堤相互作用数值研究

作     者：王勇杰 

作者单位：长沙理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：蒋昌波;邓斌

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 080103[工学-流体力学] 0814[工学-土木工程] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：风 OpenFOAM 珊瑚礁 孤立波 直立堤 波浪破碎 波浪荷载 越浪量 

摘      要：珊瑚礁是我国重要的国土资源,在南海、东海等地区分布较广,以海洋强国战略为背景,我国正在大力开展珊瑚礁工程建设。孤立波是一种破坏力极强的海洋极端波,严重威胁着珊瑚礁工程建设安全。由于近礁风区的存在,孤立波在珊瑚礁上的传播规律和能量机制将发生变化,因此开展风影响下孤立波在珊瑚礁上的水动力特性及其与建筑物相互作用研究对于珊瑚礁的工程建设具有重要意义。本文基于OpenFOAM中的两相流求解器,采用松弛区造波法建立了二维风浪水动力数值模型,并通过对比实验数据验证了模型的可靠性和准确性。在此基础上考虑不同风速研究了风对孤立波在珊瑚礁地形上传播及其与直立堤作用过程的影响,并总结了不同入射波高、不同初始水深,不同坡度下波高、流场、湍流场和能量随风速变化规律,以及不同礁缘距离、不同干舷高度、不同堤宽下直立堤受波浪荷载和越浪量随风速变化规律。最后基于上述研究数据和前人的理论成果,提出了考虑风影响因子的礁坪上直立堤孤立波越浪量预测公式。研究结果表明:风的作用会加快孤立波的传播并且使孤立波提前发生破碎;在风速Uw=4的影响下,波面抬升8.0%～31.1%;风的存在提高了孤立波破碎的湍动强度,破碎波的湍动能值和湍流比耗散率值随风速的增大而增大;有风时水体的动能和势能明显高于无风时,并且动能峰值增幅为3.8%～39.2%,势能峰值增幅为2.9%～19.4%;风的作用增强了礁前斜坡对孤立波的反射以及透射;风会加强孤立波与直立堤作用时的旋涡运动;低风速下(Uw=1)的冲击力系数相比无风时变化不大甚至有减小的趋势,高风速下(Uw=3、Uw=4)的冲击力系数相比无风时明显增加;堤顶单位面积受越浪压力随着风速的增大而增大;有风作用时,越浪过程相比无风时更早的开始,并且持续时间更长;无量纲单宽越浪量随着风速的增大而增大,并且当风速为Uw=4时,无量纲单宽越浪量约是无风时的1.31～6.13倍。本次研究将为珊瑚岛礁上的防护工程设计提供理论参考。