圆弧面防波堤的水力特性研究

丁宏卿 张 翔

(河北大学建筑工程学院，河北保定 071002)

1 概述

圆弧面防波堤是在半圆形防波堤应用经验基础上开发的一种新型防波堤。

目前研究得比较多的是计算波浪力的经验公式，数值模拟方面也做了一定的工作。本文用NEWFLUME数值水槽模拟波浪作用于防波堤的全过程。

2 数学模型的建立

2.1 NEWFLUME 数值水槽

由于破碎波复杂的流动和紊流结构，现在这一现象的模拟已经成为众多海岸研究者的热点研究课题。Lin和Liu(1998)提出了一个二维数值模型，基于雷诺平均的NS方程求解平均流动，采用改进的k—ε方程模拟紊流输移，从而封闭NS方程。模型已经通过实验进行了验证。模型有了多方面改进，如增加了多孔介质内流动的模拟功能，增加了内部源函数造波功能等。

2.2NEWFLUME 建模

对于波源，有边界造波和内部源函数造波两种方法。

边界造波法:由于大多数周期波浪理论都会出现质量净输移现象，而边界造波法指定自由表面位移和速度值，因此会有净质量流进入计算域，累计后会导致计算溢出。

源函数造波法:采用源函数域内造波法的优势在于不用指定边界处的波浪条件，避免边界波浪反射问题，并且由于波浪在域内产生，因此左右边界都可以设置为辐射边界条件，很容易就可以吸收外传的波列。

本文采用内部源函数造波，为了保证波浪作用防波堤的稳定，源函数造波区域离防波堤的距离为3倍～5倍的波长。

3 波浪要素及防波堤设计断面

3.1 波浪要素

实验采用1/4圆弧沉箱防波堤进行不规则同步压力试验。模型按重力相似准则，几何比尺1∶36。

波浪要素分组如表1所示。

表1 波浪要素

实验模型是按重力相似准则设计，几何比尺1∶36。根据重力相似准则，试验采用的波高为实际波高的1/36，而试验周期为实际周期的1/6。得到的试验波高和周期见表2。

表2 试验的波高和周期

3.2 防波堤断面设计尺寸

断面图见图1。

4 数值计算结果后处理

本研究重在计算堤体上的波浪力。图2～图4是数值模型指定位置的位移、速度、压力的时间历程曲线图。

由图2～图4可以得出，水平速度与自由表面位移具有相同的相位，垂向速度则有90°的相位差。

5 结语

通过NEWFLUME数值水槽模拟波浪作用于防波堤的全过程，可以得出以下结论:

1)NEWFLUME数值水槽模可以对防波堤进行详细分析，可以得到质量、动能、势能等一系列数据，可应用到实际工程中去。2)NEWFLUME数值水槽模在利用输出文件生成图形过程中，会出现一些额外的误差。

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