波浪作用下涵洞式直立堤水体交换特性研究

吕超凡，赵西增,2，殷铭简

(1. 浙江大学 海洋学院，浙江 舟山 316021; 2. 浙江海洋大学 海洋工程装备学院，浙江 舟山 316022)

重力式防波堤虽然能较好地起到挡浪作用，但它在一定程度上阻止港池内外水体之间的自然循环和交换[1-2]，使得港内水质恶化，产生一系列的环境问题[3]。为在挡浪的同时，加强港池内外水体交换，可在防波堤的水下部分开挖涵洞，形成涵洞式防波堤。利用波能主要集中在水面附近的特点，防波堤的上部结构可以反射波浪，水下涵洞部分可进行水体交换[4]。该措施既可满足港池的泊稳条件，又可提高港池的水质；相较于其他常见的水体交换方式，具有结构强度高、经济性好、施工容易等优点[2]。

总体而言，针对涵洞式防波堤的消浪及透波特性研究己较为详尽。但在水体交换更新方面，虽然已有基于浅水方程的大尺度数值模拟，但其针对的是潮流，波浪作用下的水体交换机理及其规律尚缺乏相关研究。为此，采用计算流体力学(CFD)数值模拟[11-13]结合物理模型试验[14-15]的方式精细化研究涵洞式直立堤在波浪作用下涵洞内部水体的交换特性。数值模拟基于高精度的VPM (volume-average/point-value method)-THINC (tangent of hyperbola for interface capturing)/QQ (quadratic surface representation and Gaussian quadrature)模型[16-17]，该模型可以精确捕捉自由面，重现波浪与涵洞式直立堤的相互作用，为分析其运动机理提供依据[18]。此外，在其基础上提出一种能够标记涵洞内外水体变化的双液相流体体积(VOF)方法[11]。该方法主要是把原有的计算水体分成多个子水体并分别标记，而后计算其各自输运方程，进而获取不同水体的运动特征，以此来反映在水动力的作用下，水体内部的流动规律。……