新型防波堤消浪特性数值模型的建立与验证

王飞

摘 要：为探究新型圆弧护面透空式防波堤的水动力特性，建立三维数值波浪水槽，对其开展模拟研究工作。本文从模型的建立、自由面追踪技术和方程的离散求解等方面对数学模型进行了详细的阐述，利用实验数据对计算结果进行了验证，验证结果表明，该数值模拟方法的计算结果与实验数据有很好的相关性，证明本文构建的数值模型可以用于防波堤的波浪结构特点分析和附近的流场计算研究。

关键词：VOF方法 三维数值水槽 防波堤 水动力特性 数学模型

1.引言

为保证水体交换，改善港口水质环境和满足低成本的要求，港工构建物正朝着透空式结构的方向发展。圆弧形护面透空式防波堤作为一种新型、有效的防浪结构物，开始受到学者和工程师的广泛关注，其优点主要有：在防波堤内外可进行自由的水体交换，对海洋生态环境的影响比较小；结构内部不需要填充，可节约砂、石料，以降低成本；圆弧形护面更容易减小波浪的直接撞击，有利于结构的安全稳定；结构形态相对比较简单，便于工程作业。

目前关于防波堤消浪特性的研究大多集中在物理模型试验，但其受到实验场地、消耗费用高、时间周期长、存在比尺效应等条件的制约，而数值模拟研究能够很好地解决上述问题，因此获得了广泛应用。VOF方法可以很好地处理自由面的强非线性现象，而且计算速度快、占用计算机存储量小。在波浪与防波堤等结构物进行相互作用时，变形十分显著，非线性特征明显，利用VOF方法可以比较准确地描述波浪与防波堤作用的过程。长时间以来，诸多学者对VOF方法进行了多次改进，使得两相流、多相流的计算精度越來越高，计算维度也由二维拓展到三维，差分格式和边界适用条件处理越来越合理，模型的网格已由传统的二维网格结构化网格发展到现在的三维、正交、自适应和非结构化网格等。本文基于VOF方法，建立三维波浪数值水槽，对新型圆弧护面透空式防波堤消浪特性开展数值模拟研究工作。

2.基本方法

2.1控制方程

本文在流体的不可压缩假定条件下，基于N-S方程，建立数值模型，构建三维波浪数值水槽，对新型圆弧护面透空式防波堤消浪特性开展数值模拟研究工作，其控制方程表达如下：

3.数值模型的建立与验证

3.1模型的建立

基于上述数值理论，如图1所示，构建与实验室中波浪水槽实验相同的三维数值水槽。数值水槽的长、宽、高分别为32m×0.8m×1.2m，圆弧护面透空式防波堤模型的尺寸也根据物理模型按照1：1设定。计算模型网格划分为最大纵横比小于3的矩形网格，在防波堤附近进行了局部加密处理，根据波浪要素的变化划分网格尺寸。

数值水槽入口设置为波浪生成边界，出流边界设定为自由出流边界。由于在波浪条件下，空气与液体自由面之间存在相互作用，因此液体自由表面边界压力应该与大气压相等，且其速度无沿竖直方向的分量。数值水槽底部设定为壁面无滑移边界。

3.2数值模型的验证

在数值计算中，根据实验布置的浪高仪位置，在数值水槽中设定相应的数据提取点，通过防波堤前后的波面曲线和压力数据对数值模型进行验证。图2和图3给出了水深h=0.45m、波高H=0.12m、周期T=1.5s时，防波堤前后的波面曲线和压力数据验证结果。

从图中可以看出，本文建立的数值模型得到的计算结果与实测值吻合良好，表明该模型能够用于新型透空式防波堤消浪特性及附近流场结构的计算分析。

4.结语

本文基于VOF方法，建立了三维波浪数值水槽，并在其中设立了新型圆弧护面透空式防波堤，通过实测数据对数值计算结果进行了验证，验证结果显示该数值模拟方法的计算结果与实测数据吻合良好，表明本文建立的数值模型可以用于防波堤消浪特性研究及附近流场结构的计算与分析。

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