基于OpenFOAM的新型透空堤水动力数值模型建立与应用

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透空式防波堤(以下简称透空堤)由于其结构轻便、利于水体交换等特点,可被用于未来深海结构防护工程中。应用适宜的数值模拟方法来评价透空堤的水动力特性可以不受现场试验条件影响,能够节约人力、物力和财力,且分析手段多样,计算效率大大提高。本文结合前人在OpenFOAM数值波浪水槽和透空堤领域内的研究,优化调整数值波浪水槽的相关参数,对所构建的数值空水槽从网格剖分、理论验证、主动吸收消波等方面进行比较分析。在此基础上选取二维弧板式透空堤、三维方箱梳式透空堤作为新型透空堤应用的研究代表,并建立相应的水动力数值模型。从透空堤的消浪、受力和流场等方面将其数模结果同对应工况的物理模型的试验结果进行比较,从而验证数值模型的可靠性,进而分析两种新型透空堤的水动力特性,但在应用中不拘泥于具体结构形式,因此可为今后开展新型透空堤水动力数值模型研究提供设置方案和参考。通过研究分析得到如下结果:1、所建立的数值空水槽,通过了理论解、网格独立性以及主动吸收系统的验证,且不同波浪周期下的数模结果所得波面历时曲线与物理试验水槽所得结果较为匹配。表明通过适当的网格加密以及阻尼项主动吸收系统的添加,可以有效提高数值水槽规则波造波的准确性。2、弧板式透空堤二维水动力数值模型所得消浪结果与受力情况计算结果同相应物理模型试验结果吻合程度良好,横剖面二维流场图像能够较为直观地反映试验现象。3、方箱梳式透空堤三维水动力数值模型的消浪结果及箱体各表面的受力情况结果与物模结果较为接近,数模流场所呈现的各剖面图像与试验对应位置的现象具有良好的一致性。4、相对堤宽增大时,弧板式透空堤的透射系数呈减小趋势,而反射系数则呈增大趋势。弧板两侧的波浪压强高于弧板中部,且上表面受波浪冲击作用较大,弧板的水平正、负向波浪力呈对称分布,弧板背浪侧易形成漩涡并伴随水体紊动。5、方箱梳式透空堤的透射系数随相对堤宽的增大而减小,但其反射系数则恒定在0.35-0.45之间。箱体上越靠近基准水面的测点所测压强越大,各受力面的水平波浪力对箱体影响较大,其背浪面会出现水体汇聚现象,空腔内水体紊动效应较为明显。
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