新型弧形返浪墙水动力数值模拟

上海交通大学硕士学位论文 新型弧形返浪墙水动力数值模拟 姓名:焦颖颖 申请学位级别:硕士 专业:港口、海岸及近海工程 指导教师:陈刚 20070101 上海交通大学硕士学位论文 在防波堤和海塘工程中,返浪墙已得到广泛的应用,但是传统的返浪墙设置于大堤顶部,大堤高程一般大于设计高水位和特征波高之和, 因此,返浪墙被用来阻挡波浪在斜坡上爬高后形成的动能已相对减弱的 水体。若在设计高水位附近设置返浪墙,并通过设计新型的胸墙曲线形 式,使之能有效地将接近行进波的来波“导回”海洋,可实现降低与防 止越浪的目的,海塘工程造价可显著降低。 运用基于FLUENT 软件的二维数值波浪水槽,采用VOF 方法处理自 由面,应用“解析松弛”方法实现了数值造波-消波。 对规则波情况下,给出了带弧形返浪墙的斜坡简单海堤的水动力载 荷的数值模拟结果,计算结果得到了物理试验结果的印证。在圆弧高度 一定的情况下,不同弧面形状组合的计算结果表明上部大圆弧设计有利 于减小越浪量,水动力载荷无显著增加。在给定堤顶超高的条件下,不 同堤脚超高和弧形返浪墙高度的组合对越浪量有明显影响:低弧趾超高 和大半径弧面组合有利于降低越浪量,但水动力载荷也较大;高弧趾超 高和小半径弧面组合越浪量较大。 针对上海地区典型断面条件下适用的新型返浪墙断面型式及其关键 上海交通大学硕士学位论文 设计参数进行数值模拟,提出具有实际应用价值的新型弧形返浪墙对返浪效果的影响,为进一步的工程应用提供科学依据。 关键词: 返浪墙,水动力载荷,越浪,数值波浪水槽 上海交通大学硕士学位论文 NUMERICALSIMULATION HYDRODYNAMICFORCE ARCCROWN WALL ABSTRACT seawalls,crown walls alwaysused. crownwalls dikesall largerthan designedhigh water level significantwave height. Crown walls waterafter runup. wecan set crownwall close designedhigh water level, crownwall waterback muchcheaper dike.FLUENT numericalwave flume. Considering incompressibleliquid, primarygoverning equations Reynolds-averagedNavier-Stokes (RANS) equations associated properturbulence model. presentwork, turbulencemodel adoptedassuming. fluidmethod (VOF) freesurface. VOF method traces freesurface shape volumefraction function, which ratiobetween fluidvolume gridcell. integratedwave 上海交通大学硕士学位论文 absorbingapproach implementnumerical wave flume. When regularwave condition, considering simpleslope profile dike crownwall, very nice uniform hydrodynamic forces numericalwave flume. numericalresults physicalmodel results. Almost perfect match calculatedresults show crownwall crownwall. methodcan reduce don’tinfluence hydrodynamicforce. KEY WORDS: crown wall, hydrodynamic force, overtopping, numerical wave flume 上海交通大学硕士学位论文 2-1实际的界面形状 11 2-2运用PL IC 重构技术得到的界面形状 12 2-3数值波浪水槽设置的示意图 13 2-4造波区函数C 示意图
. 13 2-5平底数值波浪水槽示意图
. 14 2-6二维数值波浪水槽计算网格 15 2-7一个周期内不同时刻的波形图
. 16 2-8一个周期内不同时刻的驻波图
. 17 2-9直墙结构断面示意图 19 2-10模型边界条件简图.. 19 2-11直墙断面计算网格模型. 20 2-12三种工况下水动力荷载比较图.. 21 2-13工况C 波浪力时间过程线. 22 2-14工况C 一个波周期直墙上水气两相分界点的位置变化曲线
. 22 2-15工况C 一个波周期的波面及流速场图.. 25 3-1试验断面示意图 27 3-2三种弧形返浪墙几何尺寸,单位:m. 28 3-3模型边界条件示意图 28 3-4模型计算网格的划分 29 3-5返浪墙受力计算示意图,水平力Fx,垂向力Fy.. 29 3-6典型水平力和垂向力过程,-
. 30 3-7一个波周期的波面及流速场图,-
. 32 3-8数值计算和试验预报水平力载荷过程比较,-. 33 3-9数值计算和试验预报垂向力载荷过程比较,-. 34 3-10
数值计算和试验预报水平力载荷过程比较,-
. 35 3-11数值计算和试验预报垂向力载荷过程比较,-
. 36 3-12数值计算和试验预报水平力载荷过程比较,-
. 37 3-13
数值计算和试验预报垂向力载荷过程比较,-
. 38 3-14数值计算和试验预报水平力载荷过程比较,-
. 39 3-15数值计算和试验预报垂向力载荷过程比较,-
. 40 3-16数值计算和试验预报水平力载荷过程比较,-
. 42 3-17数值计算和试验预报垂向力载荷过程比较,-
. 43 3-18数值计算和试验预报水平力载荷过程比较,-
. 44 3-19数值计算和试验预报垂向力载荷过程比较,-
. 45 3-20水动力载荷与周期关系曲线. 46 3-21水动力载荷与波高关系曲线. 47 3-22数值计算和试验预报水平力载荷过程比较,-
. 48 上海交通大学硕士学位论文 3-23数值计算和试验预报垂向力载荷过程比较,-
. 49 3-24数值计算和试验预报水平力载荷过程比较,-
. 50 3-25数值计算和试验预报垂向力载荷过程比较,-
. 51 3-26数值计算和试验预报水平力载荷过程比较,-
. 52 3-27数值计算和试验预报垂向力载荷过程比较,-
. 53 3-28水动力载荷与波高关系曲线. 54 3-29数值计算和试验预报水平力载荷过程比较,-
. 55 3-30数值计算和试验预报垂向力载荷过程比较,-
. 56 3-31数值计算和试验预报水平力载荷过程比较,-
. 57 3-32数值计算和试验预报垂向力载荷过程比较,-
. 58 3-33数值计算和试验预报水平力载荷过程比较,-
. 59 3-34数值计算和试验预报垂向力载荷过程比较,-
. 60 3-35水动力载荷与波高关系曲线. 61 3-36数值计算和试验预报水平力载荷过程比较,-
. 62 3-37数值计算和试验预报垂向力载荷过程比较,-
. 63 3-38数值计算和试验预报水平力载荷过程比较,-
. 64 3-39数值计算和试验预报垂向力载荷过程比较,-
. 65 3-40数值计算和试验预报水平力载荷过程比较,-
. 66 3-41数值计算和试验预报垂向力载荷过程比较,-
. 67 3-42水动力载荷与波高关系曲线. 68 3-43数值计算和试验预报水平力载荷过程比较,-
. 69 3-44数值计算和试验预报垂向力载荷过程比较,-
. 70 3-45数值计算和试验预报水平力载荷过程比较,-
. 71 3-46数值计算和试验预报垂向力载荷过程比较,-
. 72 3-47数值计算和试验预报水平力载荷过程比较,-
. 73 3-48数值计算和试验预报垂向力载荷过程比较,-
. 74 3-49水动力载荷与波高关系曲线. 75 3-50水动力载荷与墙趾超高关系曲线
 76 3-51水动力载荷与返浪墙高及墙趾超高组合关系曲线
 77 3-52水动力载荷与墙趾超高关系曲线
 78 3-53水动力载荷与返浪墙高及墙趾超高组合关系曲线
 79 3-54水动力载荷与墙趾超高关系曲线
 80 4-1不同弧面线性示意图 81 4-2不同工况越浪量比较
. 82 4-3返浪墙受力计算示意图,水平力Fx,垂向力Fy.
. 83 4-4不同弧面形状水动力载荷时间过程
. 85 4-5不同圆弧半径与堤脚超高组合示意图 
86 4-6不同工况越浪过程波面及速度场比较 
90 4-7不同工况水动力载荷比较

. 95 上海交通大学硕士学位论文 FiguresFigure 2-1 Actual interface shape 11 Figure 2-2 Interface shape represented geometricreconstruction (piecewise-linar) scheme 12Figure 2-3 Sketch numericalwave flume. 13 Figure 2-4 Function wavemaker zone.. 13 Figure 2-5 Setup numericalwave flume 14Figure 2-6 Computational grid constantdepth 15 Figure 2-7 Wave surface elevation progressivewaves differenttime.. 16 Figure 2-8 Wave surface elevation standingwaves differenttime 17Figure 2-9 Sketch verticalwall 19Figure 2-10 Setup modelboundary condition 19 Figure 2-11 Computational grid verticalwall 20Figure 2-12 Comparison forcesamong three different conditions.. 21 Figure 2-13 Time history 22Figure 2-14 Time history surfaceelevation onewave period, 22Figure 2-15 Snap-shot surfaceelevation velocityfield onewave period, 25Figure 3-1 Sketch 27Figure 3-2 Sketch arccrown walls. 28 Figure 3-3 Setup modelboundary condition.. 28 Figure 3-4 Computational grid seawall29 Figure 3-5 Wave forces arccrown wall 29Figure 3-6 Time history waveforces, 30Figure 3-7 Snap-shot surfaceelevation velocityfield onewave period, 32Figure 3-8 Comparison measuredhorizontal force, 33Figure 3-9 Comparison measuredvertical force, 34Figure 3-10 Comparison measuredhorizontal force, 35Figure 3-11 Comparison measuredvertical force, 36Figure 3-12 Comparison measuredhorizontal force, 37Figure 3-13 Comparison measuredvertical force, 38Figure 3-14 Comparison measuredhorizontal force, 39Figure 3-15 Comparison measuredvertical force, 40Figure 3-16 Comparison measuredhorizontal force, 42Figure 3-17 Comparison measuredvertical force, 43Figure 3-18 Comparison measuredhorizontal force, 44Figure 3-19 Comparison measuredvertical force, 45Figure 3-20 Wave forces versus wave period.. 46 Figure 3-21 Wave forces versus wave height 47上海交通大学硕士学位论文 Figure3-22 Comparison measuredhorizontal force, 48Figure 3-23 Comparison measuredvertical force, 49Figure 3-24 Comparison measuredhorizontal force, 50Figure 3-25 Comparison measuredvertical force, 51Figure 3-26 Comparison measuredhorizontal force, 52Figure 3-27 Comparison measuredvertical force, 53Figure 3-28 Wave forces versus wave height 54Figure 3-29 Comparison measuredhorizontal force, 55Figure 3-30 Comparison measuredvertical force, 56Figure 3-31 Comparison measuredhorizontal force, 57Figure 3-32 Comparison measuredvertical force, 58Figure 3-33 Comparison measuredhorizontal force, 59Figure 3-34 Comparison measuredvertical force, 60Figure 3-35 Wave forces versus wave height

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