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在进行波浪与海岸工程结构物相互作用实验研究时,经常要用到波浪水槽。随着计算机技术的发展,建立达到工程实用水平的数值波浪水槽在海岸工程研究领域具有广泛的应用前景。
基于FLUENT商业化软件,本文以RANS 方程为控制方程,基于有限体积法,将入射波波场作为人工源项加入动量方程,提出了一种适用于VOF方法的源造波技术,该方法可以有效地消除波浪遇结构物反射后可能在造波机前产生的二次反射波;在水槽末端布设消波段吸收入射波,使得可以在较小的计算域内进行长时间的数值模拟,大大提高了计算效率。通过对行波及驻波的计算,分别验证了造波机前端及水槽末端消波段的有效性。
本文在该数值波浪水槽内对规则波的越浪进行了系统的数值实验,计算结果得到了物理实验结果的印证。数值实验结果表明,计算结果与实验预报值间的偏差随缩比模型比尺的增大和堤前波浪破碎强度的增强而增大,提出了在进行越浪物理实验的结果分析时需要考虑模型的比尺效应的观点。由于波浪物理实验采用重力相似准则来推算实际问题的结果,对于含有强烈卷吸、射流和破碎的防波堤越浪问题,粘性效应影响显著,而物理实验如果保证重力相似则不能保证粘性力相似,所以在模拟含有强烈粘性效应的波浪破碎过程实验中应当考虑由于重力相似而粘性力不相似造成的系统偏差。
最后,本文还通过添加源项的方法引入多孔介质模拟人工块体层的消能作用,为之后更细致地模拟海塘越浪现象提供了新途径,具有潜在的应用前景。