决口海堤洪水波传播模拟和分析研究I:方法和验证

选用水槽和港池物理模型方法以及已有的一些物理模型试验成果,结合SWASH模型,对孤立波在海堤斜坡上的爬高和越浪进行验证,确定合适的计算参数;计算和分析几种不同内坡形式的海堤堤顶决口,确定合适的海堤内坡边界条件。研究分析表明,验证后的SWASH模型可以用来进行海侧来波和陆域越堤波浪的联合计算,为决口海堤洪水波传播模拟和分析奠定了基础。     

决口海堤水波传播模拟和分析研究Ⅱ:2D传播

应用经验证的SWASH数学模型,分析了海堤决口中心线沿线实测水深分布规律和保护区淹没水量与淹没面积。对不同特征水深进行验证,进而探讨不同波要素对不同形式的海堤决口堤后特征水深分布情况以及波浪传播距离与时间的关系;分析了物理模型试验中海堤决口宽度以及不同波要素对堤后洪水波演进的影响;计算了不同决口深度和宽度对洪水波传播的影响,建立堤后水体淹没水量和淹没面积分布公式。成果可供我国沿海城市和地区在风暴潮和台风浪作用下海堤决口风险图绘制参考。     

基于FLUENT的波浪溢流水动力数值模拟

波浪溢流现象使得海堤受到了越浪和溢流的联合作用,复杂的水动力过程会引起海堤后坡产生严重的侵蚀破坏。基于FLUENT软件建立了二维数值波浪溢流水槽模型,该模型运用UDF速度边界造波法分析在不同超高条件下海堤后坡流量和水流厚度的水力学特性。结果表明数值模拟结果与前人物理模型试验结果吻合,该模型可以真实地模拟出海堤波浪溢流现象。在此基础上进一步研究了波浪溢流中越浪和溢流在不同相对超高条件下的主导性作用,而后建立了十分准确的波浪溢流海堤后坡稳定水流厚度计算公式。     

海堤溃堤机理和溃堤越浪量阈值的试验分析

通过对不同几何结构和护面材质的海堤开展大量组次物理模型试验,得出越浪水体强烈的剪切力导致的后坡侵蚀和护面块体滑动被证明是海堤失稳的主要触发因素。建议工程标准和规范中考虑越浪流速和剪切力,将有利于溃堤风险的评估和预判。然而实验数据显示,海堤在越浪强度递增过程中的受压达到峰值的先后顺序为堤顶-挡浪墙-后坡。因此,瞬时水动力冲击导致的疲劳性破坏可能是另一种溃堤机理,虽没有在试验中出现,但需要时刻警惕。不同于广泛使用的允许越浪量,本项工作提出了针对我国沿海典型海堤类型的溃堤越浪量阈值建议值。这使得通过经验公式计算和预测溃堤风险变成可能。溃堤越浪量很大程度上受护面材质、后坡坡度和挡浪墙高度影响,但在试验中没有体现对堤顶宽度的敏感性。试验结果表明,对于相同的海堤结构和堤顶高程,相对于没有挡浪墙的海堤增设挡浪墙有可能是对海堤稳定性的一种降低。但这还需要进一步被其他研究者和工程师讨论验证。     

斜坡平台波浪破碎数值模拟

波浪在斜坡地形上破碎,破波后稳定波高多采用物理模型试验方法进行研究,利用近岸波浪传播变形的抛物型缓坡方程和波能流平衡方程,导出了适用于斜坡上波浪破碎的数值模拟方法。首先根据波能流平衡方程和缓坡方程基本型式分析波浪在破波带内的波能变化和衰减率,推导了波浪传播模型中波能衰减因子和破波能量流衰减因子之间的关系;其次,利用陡坡地形上的高阶抛物型缓坡方程建立了波浪传播和波浪破碎数学模型;最后,根据物理模型试验实测数据对数值模拟的效果进行验证。数值计算与试验资料比较表明,该模型可以较好地模拟斜坡地形的波浪传播波高变化。     

曹妃甸二期围海造地工程取沙物理模型设计及验证

为解决曹妃甸首钢围海造地工程用沙问题,计划在曹妃甸甸头东侧滩涂取沙,因关系到曹妃甸岸滩的稳定性,拟通过波浪泥沙物理模型进行试验研究,探讨取沙对岸滩向/离岸运动的影响。基于河口海岸物理模型相似理论,探讨了模型比尺的确定方法及模型沙的选取;在缺乏合适验证资料的情况下,通过三种途径对物理模型的合理性和可靠性进行验证试验,验证试验表明,本模型可将二维沙滩剖面特性研究成果应用于三维条件。     

复杂结构形式的海堤波浪力及波浪形态数值模拟

依据雷诺方程和k-ε紊流模型,按流体体积(VOF)法追踪波浪自由表面,采用源造波法,建立数值波浪水槽,数值模拟波浪对复杂结构形式海堤的作用.数值模拟结果与经验公式、物理模型试验结果基本符合,说明所建立的数值波浪水槽合理可行.揭示了不规则波作用下复杂结构形式海堤波浪力分布规律,模拟了堤前波浪形态变化,为探讨合理的海堤结构形式提供了依据.     

破碎立波对直墙建筑物作用机理的研究

建立二维非线性数值波浪水槽,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渡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,验证了该数值模型的有效性.     

港域波浪数学模型的改进与验证

通过物理模型对改进的港内波浪传播变形数学模型进行验证。该数学模型以推广的时变缓坡方程为控制方程,采用含松弛因子的ADI法求解,并对波浪反射和透射边界模拟方法进行改进。先通过物理模型试验确定斜向浪入射条件下抛石防波堤前的波浪反射系数,作为数学模型中部分反射边界模拟的依据。然后进行了一个典型港口内波浪折射、绕射和反射的模型试验,测量港内波浪分布。对比模型试验和数学模型计算的结果表明,数学模型可较好地模拟港内复杂地形和边界条件下规则波和不规则波的传播变形。     

孤立波低顶海堤越浪的数值模拟研究

灾害性波浪是中国沿海地区最具破坏性的自然灾害之一。采用开源程序OpenFOAM中interFoam求解器,对低顶海堤（在风暴潮和海平面上升情况下所面临的不利工况）的孤立波越浪特性开展数值模拟研究。通过孤立波冲击海堤的基准算例,验证模型在模拟波浪爬升和越浪过程中大变形波面以及剧烈波浪力方面的精度。基于验证的数值模型,对孤立波在低顶海堤上的越浪特征以及防浪墙高度对越浪的影响开展参数化研究。结果表明堤顶超高减小导致更为剧烈的越浪。针对尚无低顶海堤孤立波越浪量经验公式的问题,提出新的适用于堤顶超高小或为0的孤立波越浪量经验公式。此外,研究发现增加防浪墙高度可有效减少越浪,但防浪墙所受的波浪力也增大。综合考虑防浪墙减少越浪以及自身所受波浪力,针对文中研究采用的海堤截面和波浪条件,建议无量纲防浪墙高度取为1.00。     

斜坡上波浪破碎与越浪非静压数值模拟

为合理确定防浪建筑物的越浪量,基于含非静水压力梯度项的非线性浅水方程建立了近岸波浪越浪数值模型。通过采用域内造波、消波并结合波前静压假定的破碎模型,模拟了规则波和不规则波在斜坡上的波浪传播变形,并在此基础上进行了越浪量数值计算。数值计算结果与物理模型实验结果表明,非静压模型可合理地描述波浪破碎点位置、破碎后的波高、增减水以及斜坡上的堤后越浪量。数值模型具有较高的计算精度和计算效率,可为实际工程防浪建筑物越浪以及堤顶高程的设计提供一种新的数值研究手段。     

海堤安全风险评估技术研究

我国现行规范体系中,关于堤防工程安全标准的确定,主要根据工程级别确定设计重现期,从而选定工程设计参数。文中提出了依据安全风险评估的结果确定海堤安全风险等级方法。首先,通过对海堤灾害进行风险识别和分析,将洪水灾害和海堤结构自身安全失效作为海堤灾害两种主要形式,建立了海堤灾害故障树。然后,将水文动力条件作为随机变量,从频率分布角度定量计算海堤洪水灾害风险程度和结构安全失效风险,提出了海堤安全风险评价方法。最后,依据规范中关于海堤等级和重现期标准的规定,结合海堤洪灾安全风险和结构自身安全风险的评价结果,确定海堤安全风险等级。文中提出的海堤安全评价技术依据海堤风险定量计算结果,从海堤现状条件满足其设计功能目标有效程度,判定海堤安全等级的级别,是一种相对较新且更科学的方法。该海堤安全风险评估技术为海堤管理和建设提供科学支撑。     

波生沿岸流的数值模拟研究

采用完全非线性Boussinesq方程建立的FUNWAVE模型进行波生沿岸流数值模拟研究,通过对不同斜坡地形和波浪入射条件下波生流的物理模型实验结果进行比较,验证了该数值模型能较准确地计算沿岸流;通过改变波浪的不同入射条件,对不同入射条件的沿岸流数值模拟得出:当其他条件不变时,仅入射波高增大时,沿岸流的流幅和幅值增大,幅值位置向深水移动;仅增大入射周期时,沿岸流的流幅显著增加,幅值的增加较小;斜坡地形坡度的改变能显著影响波生沿岸流的流幅和幅值,但对沿岸流幅值位置的水深影响不大。采用窄缝法处理动边界时,选择合适的窄缝起始水深对沿岸流的准确计算是十分必要的。     

内孤立波对不同水深竖直圆柱体水平作用力分析

采用理论研究和试验研究相结合的方法,对两层流体中内孤立波对不同水深竖直圆柱体水平作用力进行了分析。采用重力塌陷法进行内孤立波造波试验,通过PIV(Particle Image Velocimetry)技术获取内孤立波波剖面的时间序列,利用测力系统对竖直圆柱体在内孤立波作用下的受力进行测量。通过内孤立波波剖面试验分析,选取合适的内孤立波理论并对竖直圆柱体所受内孤立波作用力进行计算,将计算结果与试验结果进行汇总分析。结果表明:上层流体中圆柱体所受内孤立波最大水平作用力明显大于下层流体中各段圆柱体,且方向相反;随着内孤立波振幅的增大,各段圆柱体所受内孤立波最大水平作用力也相应地增大;密度跃层处圆柱体所受水平作用力具有相较于其他位置处更为复杂的变化趋势;选用合适的内孤立波理论进行计算能够较好的模拟竖直圆柱体的实际水平受力。     

陡墙式海堤平台对波浪爬高影响

通过物理模型试验研究陡墙式海堤复坡平台高程和宽度对波浪爬高的影响。平台越宽对波浪爬高影响越大,平台位于静水位处对波浪爬高影响最大,并得出了受平台影响的波浪爬高折减系数计算公式,可供工程参考使用。     

有顶板开孔沉箱所受波浪力的数值分析

利用流体体积(VOF)方法并结合k-ε模型以及等温状态下的气体状态方程数值计算规则波对有顶板开孔沉箱的作用,将数值计算结果与物理模型试验数据分别对总水平力、前开孔板和后实体板的压力分布以及顶板总力等物理量进行对比,验证了所建立的数学模型和数值计算方法的有效性和可靠性,为分析有顶板开孔沉箱的波浪力提供了有效的计算方法.     

强非线性和色散性Boussinesq方程数值模型检验

采用同位网格有限差分法,建立了强非线性和色散性Boussinesq方程数值计算模型。以稳恒波Fourier近似解给定入射波边界条件,对均匀水深深水和浅水域不同非线性的行进波、缓坡地形上深水至浅水域的浅水变形波、以及缓坡和陡坡地形上的波浪水槽实验进行了数值计算,并将计算结果与解析解、解析数值解以及实验值进行了较为详细的比较,从而检验了模型的色散性、非线性以及不同底坡下非线性波的浅水变形性能。     

基于VOF模型的OWC气室波浪场数值分析

近年来,振荡水柱形式在波能转换装置中得到了广泛应用,由于波况不同,需对气室加以研究并对其形状参量进行优化,从而使空气流速和能量转换达到最大值.利用基于VOF模型建立二维数值波浪水槽,将数值计算的振荡水柱在气室内的升沉运动与物理模型试验进行比较,验证其正确性,并将OWC气室的研究手段予以推广.     

波浪周期对防波堤护面块体稳定性影响的试验分析

波浪对斜坡堤护面结构的冲刷破坏作用受诸多因素的影响,如波浪要素、水深条件、坡面角度、护面块体型式等。在进行某项有关斜坡堤护面块体的课题研究中发现,当防波堤断面结构确定后,护面人工块体的稳定性主要取决于波高及波周期的变化。在进行这方面内容设计计算中,通常波高的取值都能给予足够的重视,但波周期对护面块体稳定性的影响容易被忽视。本研究通过物理模型试验,针对波浪周期对斜坡堤护面块体稳定性的影响进行了总结分析,为防波堤设计提供参考。     

完全非线性波浪与二维固定结构物作用的IGN-BEM耦合分析模型

为高效准确地对完全非线性波浪与二维固定结构物的相互作用进行模拟分析,建立了二维完全非线性时域耦合模型。耦合模型将计算域划分为靠近结构物的内域和远离结构物的外域,每个区域均采用满足完全非线性自由水面边界条件的波浪模型进行求解。在内域使用Laplace方程描述流体运动并采用高阶边界元法（BEM）对其进行求解;而在没有结构物的外域,波浪运动的控制方程为Irrotational Green-Naghdi（IGN）方程并采用有限元法（FEM）对其进行求解。内域和外域通过一段重叠区域进行耦合,从而实现模型间变量的传递。首先利用耦合模型分别对规则波的传播、直墙前立波的生成以及相关物理模型试验进行模拟,数值结果与精确解和试验结果的良好吻合验证了耦合模型耦合方式的合理性以及处理非线性问题的准确性;然后使用耦合模型模拟分析了波浪与固定结构物间的相互作用,并将结果与线性解析解以及完全非线性BEM模型的结果进行了对比分析,进一步证明了耦合模型的正确性与高效性。