强非线性波浪在斜坡堤上爬高公式的研究

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波浪爬高是指波浪冲击斜坡堤等水工建筑物斜面时,液面爬升而高于静水面的现象,其爬高值是防波堤和护岸工程中确定堤顶高程的重要参数。现有规范的波浪爬高公式是由物理模型试验数据拟合而来的经验公式,该公式受当时科研条件的限制存在适用范围局限问题。波浪的非线性是影响波浪破碎的重要因素,现有的研究成果缺乏对该爬高公式在斜坡堤浅水范围波浪强非线性条件下的系统性研究。为扩大规范中波浪爬高公式的适用范围,提高公式在强非线性条件下的计算精度,本研究基于Navier-Stokes方程,采用VOF方法确定自由面,构建斜坡堤波浪爬高数值试验水槽,通过对比分析数值模拟试验、物理模型试验、规范公式三者的波浪爬高值,对规范中波浪爬高公式的计算精度和局限性进行了详细分析,对适用范围以外的规则波浪爬高公式进行了修正。本文首先在斜坡堤波浪爬高数值试验水槽开展了规则波和不规则波传播、爬高数值模拟及精度验证。波高历时曲线与理论值相符,传播过程中未发生明显衰减现象,不同波浪参数下波浪爬高数值试验值与物理模型试验值拟合程度较好。本文建立的斜坡堤规则波、不规则波爬高数值水槽能够准确模拟波浪传播和爬高,具有可靠性。接着开展了规范波浪爬高公式在强非线性规则波条件下的适用性研究。对由数值试验、物模试验、规范公式三者所得的波浪爬高值进行对比分析,结果表明,当厄塞尔数Ur大于60时,规范公式计算值精度较低,超出规范误差允许范围,建议应用规范的波浪爬高公式时应满足Ur1.5),波浪非线性较强(Ur>5)的条件下,依据规范公式所得的波浪爬高精度较低,该条件下规范中波浪爬高公式需要慎重使用。
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