耦合算法在幕墙式消浪结构性能研究中的应用论文

《耦合算法在幕墙式消浪结构性能研究中的应用论文》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、耦合算法在幕墙式消浪结构性能研究中的应用论文摘要：作者针对近岸波浪与结构物相互作用问题提出了一种耦合数值方法，即用时均化的二维雷诺平均的Navierstokes方程-流体体积法模型表达内域流动，用一维Boussinesq方程表达外域流动，通过速度、压力和波面匹配边界条件实现两种数值模型的同步求解。耦合模型中的二维子模型能够较好地表达结构物附近流动的细部特征，包括漩涡结构；一维子模型的计算效率很高，可通过延长其计算域以达到有效地避免二次反射波的影响。所建立的耦合数值模型被证实可应用于幕墙式消浪结构防波性能的研究。关键词

2、：幕墙式消浪结构耦合数值方法VOF方法Boussinesq方程以往的研究成果表明，迎浪面开孔的沉箱直立堤可以有效地减小反射波，但消浪室的宽度(即开孔前墙和不透水后墙之间的宽度)一般应达到当地波长的四分之一1。如果入射波为涌浪或者其他类型的长波.freelax表示垂向网格节点的最大编号。给ΓB边界的波面赋予匹配条件时数值试验表明，需要利用连续方程反映的水位流量关系给出匹配条件其效果好于直接给定水位过程条件。这是因为通过水位和流量的相互调整，计算域内的反射波可得以减弱。因而，在实际计算中ΓB边界的波面可表示为利用Bous

3、sinesq方程推导过程中引入的近似展开关系，在波面函数η和(深度平均)速度导的结果，ΓV边界上水平速度u/,垂向速度v和压力p的匹配条件可按下面表达式给出：耦合模型同步求解过程可简单概括如下。首先，考虑Ω2域左边界处的入射波条件，在Ω2域内执行Boussinesq模型，当Ω2域中接近匹配边界的节点上的水平速度值第一次达到10-3m/s量级时，开始在Ω1域内执行RANS-VOF模型。在某一时间步n,执行Boussinesq模型所需要的匹配边界ΓB处的速度和波面条件按式(1)和式(2)给出；Boussinesq模型在当

4、前时间步的计算完成后，随即利用式(3)～(5)计算出匹配边界ΓV处的波面、速度和压力边界条件，并启动RANS-VOF模型；RANS-VOF模型在当前时间步的计算完成后，即按照式(1)和(2)计算出匹配边界ΓB所在位置的速度和波面匹配条件。然后进入下一时间步的计算。2计算结果为了验证计算结果，参考已知的模型试验条件，取耦合模型为等水深(d=0.42m)，计算域全长18.36m.其中，子区域Ω2和Ω1的长度分别为12.58m和5.78m.Ω1域中幕墙厚度q=0.042m，幕墙下端为一45°尖角。幕墙吃水深度按相对吃水c/

5、d=0.3～0.7计算了多个工况。幕墙和直立墙均作为全反射边界处理。消浪室宽度B=0.29m取为固定值。通过改变入射波的周期，消浪室的相对宽度在B/L=0.08～0.16(L为波长)的范围内变化。计算网格的划分情况如下。Ω2域按等步长(Δx=0.042m)划分为300个单元格；Ω1域的垂向也按等步长(Δz=0.021m)划分，但其水平方向是按变步长划分的，共划分了150个单元格。Ω1域中单元编号i=1～120的各单元为Δxi=0.042m,.freel，i=126～130的各单元为Δxi=0.028m,i=131～1

6、50的各单元为Δxi=0.021m.幕墙附近和消浪室区域的网格划分得比较细的目的是为了更有效地分辨幕墙下面涡旋流动的特征。Ω2域左边界入射波的波高H=0.06m.应用合田方法8测定反射率系数，在幕墙前大约2倍波长以外处设置了适当间隔的两个浪高仪(如图2所示)记录波面变化。图4为执行耦合模型得到的瞬时(t=19.972s)波面(图中点划线为匹配边界位置).图5显示了波浪反射系数Cr随相对消浪室宽度B/L变化的关系。当幕墙吃水深度c/d=0.5一定时，Cr随B/L变化，在B/L=0.12附近出现了最小值。本文的数值结果同

7、模型试验的结果十分接近，说明1D/2D耦合模型是有足够精度的。计算过程中观察到了消浪室内水体做整体升降振荡的现象。取消浪室平均水位变化的幅值(HT)与原入射波高(H)之比描述波浪在消浪室中被激励的情况。图6显示了波浪在消浪室中水面波动被放大的比率随消浪室相对宽度B/L变化的情况。可以看出，大约从B/L=0.12开始，消浪室中波浪的放大率随B/L的增大而迅速减小的特点十分明显。这说明，在给定幕墙吃水深度(c=0.12m)和消浪室宽度(B=0.29m)的情况下，波长(L)相对较大的波浪经垂直幕墙透射到消浪室后引起的水体振

8、荡幅度更大。图7显示了幕墙反射系数Cr随其相对吃水深度c/d变化的关系。当消浪室相对宽度B/L=0.12一定时，Cr随c/d变化，在c/d=0.5附近出现了最小值。H=0.06m，B/L=0.12，c/d=0.5图4整个计算域瞬时波面d=0.42m,c=0.21m,H=0.06m图5Cr-B/L关系d=0.42m,c=0.21m,H=0.06m