水面多块竖直薄板消浪机理研究

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防波堤是海上设施重要的防护装置,主要用于抵御外海波浪,保证防护域内建筑设施免受波浪、风暴潮等的影响。随着海洋开发向外海深海推进,对于深海海上设施的防护,传统坐底式结构防波堤不再适用,于是消浪主体位于水体上层的浮式防波堤受到广泛关注。  本文采用数值模拟方法对水面多块竖直薄板式防波堤的消浪机理进行研究。基于Fluent软件建立数值波浪水槽,采用仿物理推板造波、VOF法捕捉自由表面运动。通过将数值模拟波形与理论波形比较,吻合一致,验证本文数值计算方法的正确性。为了求得反射系数,本文在前人基础上,提出两种新的反射系数求解方法,采用这两种方法处理全反射试验模型以及单板数值模型的反射系数,所得全反射模型的结果相互吻合一致且与其理想值接近,单板的数值结果与试验结果吻合较好,验证了本文两种求解反射系数方法的有效性。  本文从水面竖直薄板的板数、板浸深、入射波波陡和波长等因素出发,分析了单一因素变化时,数值模型反射系数Cr、透射系数Ct和能量损失系数Cl随无因次板间距2S/L的变化趋势,并给出数值模拟时流场的相分布云图、速度分布云图和板附近速度矢量图。结果表明:水面竖直薄板模型的反射系数随着板数及板浸深的增大而增大,随着入射波波长及波陡的增加而减小;透射系数随各板数、板浸深及波陡的增大而减小,随着波长增加而增大;能量损失系数随着板浸深及入射波波陡的增大而增大。在满足理论上一阶和二阶Bragg共振条件,即无因次板间距2S/L=1和2S/L=2附近,反射系数增大,透射系数和能量损失系数减小,表明规则波与水面竖直薄板作用时存在一阶和二阶Bragg共振现象,且Bragg共振会增强波浪反射,减小波浪透射和能量损失。当入射波波长与不相邻板间的距离满足Bragg共振条件时也会出现反射增强,透射及能量损失减弱现象。流场速度云图和板附近速度矢量图表明波浪与多板相互作用时,会产生漩涡,存在粘性耗散,损失波能。  本文通过数值模拟方法研究了规则波与水面多块竖直薄板作用时的消浪性能和消浪机理,为进一步研究变间距板式、开孔式以及柔性膜式浮式防波堤奠定基础。
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