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波浪与弹性支撑水平板防波堤相互作用的研究

波浪与弹性支撑水平板防波堤相互作用的研究

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作者：王贤梦浙江大学

学位级别：硕士

作为透空式防波堤的一种新形式,弹性支撑水平板防波堤将一水平薄板通过一定刚度的弹性支撑结构与海底相连接,使其潜没在水面以下一定位置处,可在波浪作用下作周期性震荡。弹性支撑水平板防波堤水深适应性强,材料成本低,地质要求小,能够... 详细信息

作为透空式防波堤的一种新形式,弹性支撑水平板防波堤将一水平薄板通过一定刚度的弹性支撑结构与海底相连接,使其潜没在水面以下一定位置处,可在波浪作用下作周期性震荡。弹性支撑水平板防波堤水深适应性强,材料成本低,地质要求小,能够模板化生产,并且在消浪的同时能促进结构物前后的水体流通。弹性支撑水平板与波浪的相互作用包含了波浪破碎、水汽掺混的波面大变形问题和运动固体边界问题,对数值模型的计算精度和计算效率提出了高要求。本文利用课题组自主研发的基于紧致插值曲线CIP方法（Constrained Interpolation Profile）的数学模型,开展规则波及聚焦波与弹性支撑水平板防波堤相互作用的数值模拟研究。模型在笛卡尔直角坐标下建立,以CIP方法为流场基本求解器,分步求解Navier-Stokes（N-S）方程,利用高精度的流体体积类型的THINC/SW（Tangent of Hyperbola for Interface Capturing with Slope Weighting）方法重构自由液面,采用浸入边界IBM（Immersed Boundary Method）方法处理波浪与起伏板防波堤的耦合作用问题,通过动量源项造波方法模拟规则波和聚焦波的产生。首先,模拟固定水平板与规则波及聚焦波相互作用的过程,并与前人实验结果相比较,验证本文模型的可靠性,分析相对板宽及潜深对固定水平板性能的影响。发现固定水平板对规则波和海洋畸形波的削弱能力有限,且对长波的阻碍作用几乎为零。随后,进行弹性支撑水平板与规则波相互作用的过程模拟,并与前人势流理论结果相对比,重点关注波浪的浅水变形和板两端涡旋脱落的非线性现象,分析潜深、波要素对板周围流场分布、板的运动响应和波浪的反透射系数的影响。证明弹性支撑水平板具有远优于固定水平板的消浪效果,且对较大频率范围内的波浪适用性良好,具有作为防波堤的潜力和可行性。通过不同工况流场及涡量场的对比,归纳了弹性支撑水平板主要消能方式:一、波浪能量在水平板前被大量反射;二、波浪在通过水平板上方时发生浅水变形甚至破碎消能;三、水平板在波浪力作用下的周期性震荡使得水平板两端产生交替脱落的涡流,带走波浪能量;四、水平板运动产生的辐射波与板后透射波相叠加。最后,分析聚焦波通过弹性支撑水平板时的波浪破碎与涡脱落,给出沿程波高和能量变化曲线,结果表明弹性支撑水平板对畸形波也有良好的削弱能力。

关键词：弹性支撑水平板防波堤畸形波 CIP方法透反射系数波浪破碎涡脱落

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