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波浪通过双列梯形潜堤的水动力特性研究

作　者: 曹永港
导　师: 蒋昌波
学　校: 长沙理工大学
专　业: 水力学及河流动力学
关键词: VOF方法双列梯形潜堤平底床面斜坡床面传播变形流动结构数值模拟
分类号: TV139.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 91次
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内容摘要

本文基于平底床面上及1:20的斜坡床面上的波浪水槽试验,研究线性波与椭圆余弦波在平底床面上及斜坡床面上不可渗双梯形潜堤附近的水动力特性,同时以平底床面上双梯形潜堤为研究对象,试验研究此形式潜堤对在线性波和椭圆余弦波作用下的消波性能的影响,并采用Goda的两点法从试验数据中分离出入射、反射及透射波高以得到相应的消波性能试验结果。针对可能影响到双梯形潜堤消波性能的诸因素,本文主要探讨双梯形潜堤的透反射系数与相对堤顶水深R /H ,相对间距S /H ,波陡H /L ,相对波高H /h等因素的相互关系,比较分析了消波效果,并对模型消波性能的影响因素进行了深入分析。本实验利用声学多普勒流速仪ADV和NDV测量潜堤附近及斜坡床面上各位置的瞬时流速,并通过统计学方法计算得到平均流速、紊动强度、雷诺应力和紊动动能的分布,同时对两潜堤前、中、后三个位置的瞬时流速进行相位平均,其中破波带流速进行特殊的小波变化处理。本文在不同坡度斜坡床面上以及带有潜堤的斜坡床面上对波浪的传播、变形破碎位置进行了研究,并对波浪在斜坡床面上的相应波高变化进行了实验观测,同时研究在不同水深、周期、波高及潜堤间距下,波浪作用在双列潜堤上的波压力的变化。波浪通过平底床面上和斜坡床面上双列潜堤时的波形和非线性特性均有显著变化,同时潜堤附近会出现涡流的生成及消散现象,因此有必要对其进行深入研究。本文垂向二维波浪数学模型以RANS方程为控制方程,采用非线性涡粘性(各向异性)k ?ε紊流传输模型封闭雷诺应力项,利用VOF方法追踪自由表面以及采用源函数造波技术来模拟椭圆余弦波对斜坡床面上潜堤的作用,所得到的数值计算结果与实验测量数据进行对比,吻合良好,因而可利用数值计算结果进一步分析波浪变形、波浪力、波面、流场、涡量、流线、紊动动能及紊动动能耗散率等特性。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-13
第一章绪论  13-17
  1.1 研究背景及意义  13
  1.2 研究状况概述  13-16
    1.2.1 国外部分  13-14
    1.2.2 国内部分  14-16
  1.3 本论文的研究内容  16-17
第二章数值计算模型研究  17-36
  2.1 数学模型介绍  17
  2.2 控制方程雷诺平均应力方程（RANS）  17-19
  2.3 数值求解方法  19-29
    2.3.1 网格划分  19-20
    2.3.2 两步映射法  20
    2.3.3 有限差分形式的空间离散  20-24
    2.3.4 自由面处理（VOF 法）  24-26
    2.3.5 k- ε方程  26-29
    2.3.6 计算步骤  29
  2.4 误差分析和数值稳定性  29-32
    2.4.1 误差分析  29-31
    2.4.2 数值稳定性  31-32
  2.5 初始条件与边界条件  32-34
    2.5.1 初始条件  32
    2.5.2 边界条件  32-34
  2.6 波生成机理  34-35
    2.6.1 椭圆余弦波  35
  2.7 计算域内建筑物的构建  35
  2.8 本章小结  35-36
第三章平底床面上双列梯形潜堤水动力特性研究  36-98
  3.1 研究动机  36
  3.2 物理模型试验  36-85
    3.2.1 试验设置  36-40
    3.2.2 试验过程  40-41
    3.2.3 消波性能研究  41-52
    3.2.4 流动特性研究  52-75
    3.2.5 波浪力特性研究  75-85
  3.3 数值模拟研究  85-97
    3.3.1 数值波浪水槽设置  85-86
    3.3.2 数值模型验证  86-89
    3.3.3 数值计算结果分析  89-97
  3.4 本章小结  97-98
第四章斜坡床面上双列梯形潜堤水动力特性研究  98-156
  4.1 研究动机  98
  4.2 物理模型试验  98-142
    4.2.1 试验设置  98-100
    4.2.2 试验过程及现象描述  100-101
    4.2.3 波浪传播的沿程变化及变形研究  101-114
    4.2.4 流动特性研究  114-133
    4.2.5 波浪力特性研究  133-142
  4.3 数值模拟研究  142-155
    4.3.1 数值波浪水槽设置  142-143
    4.3.2 数值模型验证  143-147
    4.3.3 数值计算结果分析  147-155
  4.4 本章小结  155-156
第五章波浪在陡坡与缓坡上的变形试验研究  156-169
  5.1 物理模型试验  156
    5.1.1 试验设置  156
    5.1.2 试验过程及现象判定  156
  5.2 波浪在斜坡上变形与爬高  156-166
    5.2.1 孤立波的传播变形  156-164
    5.2.2 波浪爬坡高度  164-166
  5.3 波浪在斜坡上破碎位置  166-168
  5.4 本章小结  168-169
第六章结论与展望  169-173
  6.1 结论  169-172
  6.2 展望  172-173
参考文献  173-179
致谢  179-180
附录 A (攻读学位期间发表论文目录)  180-181
附录 B (攻读学位期间从事科研项目目录)  181

波浪通过双列梯形潜堤的水动力特性研究

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