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第九届全国水动力学学术会议暨第二十二届全国水动力学研讨会文集
破碎立波对直立建筑物波浪力的数模研究
原娟,陈兵,董敏
6024
大连理工大学土木水利学院辽宁大连11
摘要:应用二维数值波浪水槽,模拟了规则波条件下破碎立波对直墙建筑物的作用。从
直墙上压力分布和各测点的压力过程线等方面与物理模型实验结果进行比较,讨论了破碎立
波的作用特点,分析了压力过程线出现马鞍形变化的原因。将破碎立波波浪力与按规范方法
和立波理论方法计算的结果进行了比较。通过对计算结果的的分析比较验证了本研究数值模
型的有效性。
关键词:波浪力;直墙建筑物;破碎立波;数值波浪水槽
1引言
直立建筑物是港口海岸工程中一种常见-T程形式,当直立建筑物长度远大于断面尺度,
墙前水深较大,波浪正向行近墙身并在墙前反射时将形成立波,若入射波陡过大,墙前立波
波形不能维持,峰顶破碎而形成破碎立波。对于立波已有了较严密的理论解和较充分的实验
验证,而关于破碎立波对建筑物的作用机理及波浪力研究则较少。本研究采用数值模拟和物
理模型实验相结合的方法对其进行研究。物理模型实验部分由董敏15J完成,利用PIV(粒子图
像测速法)得到破碎立波流场图像和各测点的同步压力曲线,对破碎立波的作用特点等进行
了分析。数值模犁应用有限元空间离散和VOF方法建立二维非线性数值波浪水槽,得到破碎
立波对直墙作用时的流场和压力场,与物理模型实验结果比较,验证数值模型的可靠性,并
进一步研究破碎立波对直立建筑物的作用机理。
2数值模型
应用有限元空间离散和VOF方法建立二维非线性数值波浪水槽,水槽尺寸为4m×O.8m,
水槽左端设无反射数值造波板,直墙边界采用滑移边界条件。VoF方法的基本原理是通过计
算网格单元中流体体积和单元体积比函数F来确定自由面,追踪流体的变化。p1表示该单
元被流体占满:庐O为空单元;,在O与l之间说明该单元含有自由表面。流体的控制方程是
不可压黏性流体的N.S方程和连续性方程,控制方程的求解采用三步有限元方法‘91。
奉研究由国家自然科学雉金“破碎波对直‘蕾建筑物的作用机理及其波浪力研究”(No资助.
.867.
第九届全国水动力学学术会议暨第二十二届全国水动力学研讨会文集
2.1计算条件
本研究分别对0.3m和0.35m两种水深条件下的立波和破碎立波进行了数值模拟,各工况
波要素见表l,其中d为水深,Ⅳ为波高,五为波长。直墙上压力测点位置见图l。
表1波浪要素
图1测点位置
3计算结果与分析
3.1立波结果
图2为数值计算得到的直墙前的立波波面过程曲线,两种水深条件下的平均波高均在
忽略流体的黏性,所以立波与行进波波高之比要略大于数模结果。
由物模试验和数值模拟计算的各测点平均压力,可得到直墙前的压力分布图,并与《海
不规则图形的面积即为单位长度直墙受到的总力,本研究中所有总力都采用这种近似算法。
从压力分布来看,0.35m水深条件下数模值和试验值比较接近,压力分布规律也与《规范》
结果基本一致。但0.3m水深条件下,试验结果的压力分布规律与数模和《规范》结果都有较
人不同。从波浪力来看,物模值和试验值的相差不大于lO%,二者都小于《规范》结果。
总结以上结果数值计算的立波结果是比较可靠的,因此可用本数值模型计算破碎立波。
O.1
0.05
O.05
Y 0
YO
-O.05
.0.0S
O 5 10 15 0 5 X 10 15
X
(a)d卸.3m (b)毋=0.35m
图2直墙前波面过程曲线
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