规则波与同向水流环境中柔性植被消浪数值模拟

作     者：李梦琦 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：徐宿东;马爱兴

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] 080103[工学-流体力学] 080104[工学-工程力学] 0815[工学-水利工程] 081502[工学-水力学及河流动力学] 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] 0801[工学-力学（可授工学、理学学位）] 

主      题：柔性植被 植被消浪 波流共同作用 数值模拟 

摘      要：基于自然的解决方案与生态文明建设对我国海岸防灾减灾工作提出了更高要求。植被消浪因其具有护岸功能与生态效益,成为海岸工程的前沿课题。现有植被消浪数值模拟研究多集中于线性波浪单独作用和刚性植被情况。而实际海岸中波浪与水流是共同存在的,且柔性植被的运动较刚性植被更为复杂。因此,为提高我国海洋防灾减灾能力和海岸生态环境修复治理水平,有必要深入认识波流对柔性植被动力特性的作用机理以及波流共同作用下海岸柔性植被水域中波浪衰减机制,并探索基于数值模拟的量化分析方法。本文从微观和宏观两种不同的尺度开展了波流共同作用下柔性植被消浪的数值模拟研究,提出了波流共同作用下淹没柔性植被运动与消浪模拟方法,论证了波流共同作用下淹没柔性植被运动与消浪模拟方法的可靠性,阐明了波流共同作用下柔性植被动力特性,揭示了波流共同作用下柔性植被消浪规律。研究成果论证了水流作用对柔性植被运动与消浪的重要性,完善了植被消浪模拟理论及方法,拓宽了植被消浪数值模型的适用范围,提高了对海岸柔性植被消浪的认识。本文研究的主要内容和结论如下:（1）介绍了现有波浪作用下淹没柔性植被动力与消浪数值模型,提出了波流共同作用下淹没柔性植被运动与消浪模拟方法,修改了模型驱动条件,拓宽了现有植被消浪数值模型的应用范围,实现了波流共同作用下柔性植被动力与消浪数值模拟。（2）建立了规则波与同向水流环境中淹没柔性植被动力与消浪数值模型,验证了所建模型复演单根植被摇摆运动、群体植被水域波高沿程分布和波浪衰减系数的能力,论证了波流共同作用下淹没柔性植被运动与消浪数值模拟方法的可靠性,拟合了波流共同作用下柔性植被拖曳力系数计算公式。（3）揭示了规则波与同向水流环境中单根淹没柔性植被的动力特性。在本文模拟参数范围内,当波浪特征波速较小时,植被最大水平力和顶端最大水平位移均与邱卡数KC、流速比U /U、柯西数Ca、雷诺数Re和Ca L先呈负相关,后呈正相关;随着波浪特征波速的增加,植被最大水平力和顶端最大水平位移与上述无量纲常数均呈显著正相关。植被顶端摆幅与选取无量纲常数呈负相关。植被顶端摆幅和最大水平位移在恒定流流速取值范围内的变化幅度与叶片长度之比L也呈负相关。同时也探讨了各无量纲常数的影响机理。（4）探讨了规则波与同向水流环境中柔性植被消浪规律。在本文模拟的参数范围内,当恒定流流速较小时,随着恒定流流速的增加,波浪在柔性植被水域中的衰减先略微减弱后增强,与水深呈负相关,而与波高呈正相关;随着恒定流流速的持续增加,柔性植被消浪无明显规律。同时也结合植被动力特性探讨了各因素的影响机理。