详情

原文传递起伏板式防波堤消浪性能的数值与试验研究

论文题名：	起伏板式防波堤消浪性能的数值与试验研究
关键词：	起伏板式防波堤;涡旋动力学;水动力特性;消浪性能;数值模拟
摘要：	发展生态型海岸工程是我国绿色可持续发展理念和海洋生态文明建设的必然要求，然而目前的防波消浪装置无法兼顾环境友好和对长波优消浪效果，起伏板式防波堤是一种可能的尝试。作为透空式防波堤的一种形式，起伏板式防波堤通过板的起伏运动产生辐射波与入射波浪叠加，以达到较好的消浪效果。其对海床地质要求较低，水深适应性强，在有效消波的同时提升了水体流通性，具有广阔应用前景和重要研究意义。　　前人提出的被动式起伏板防波堤通过弹簧与海底相连接，在入射波浪作用下发生周期性垂荡响应，消浪表现较好，但其涡旋动力学特征及相关机理尚有待探究；本文提出一种主动式起伏板防波堤，能够在入射波作用下主动运动，并根据入射波要素的变化改变自身运动参数，以获得更好的消浪性能。采用数值模拟和物理模型试验相结合的方式，开展规则波与起伏板式防波堤相互作用的研究，重点探究其消浪性能影响因素及对长波的消浪效果，并归纳总结其消浪机理。主要研究工作包括以下两方面：　　（1）开展被动式起伏板防波堤消浪性能及机理的数值研究。基于黏性流理论构建规则波-被动式起伏板相互作用数值模型，结合前人数值及物理模型试验结果验证当前模型求解结构水动力和涡旋动力学特性的准确性。重点分析波浪与被动式起伏板相互作用过程中涡旋演化特性，归纳总结其消浪机理，并探究其消浪性能与入射波周期的相关性。结果表明：被动式起伏板的垂荡响应改变了其尾涡脱落方向，在板后端上方形成了一个复杂的涡流区域和环流单元，使大部分表面波能限制在此滞流区内，带来了大量的能量耗散及能量从基频向高频的转移；其在适宜刚度下达到了与入射波浪相反的运动相位，将波峰下压、波谷抬升，进而获得波面的平稳；被动式起伏板在中短波上消浪效果较好(相对板宽B/L=0.4和0.7时透射系数CT=0.2176和0.3667)，但对长波消浪效果相对一般(相对板宽B/L=0.18时透射系数CT=0.6141)。　　（2）提出一种主动式起伏板防波堤结构，并开展其消浪性能的物理模型试验和数值研究。基于物理模型试验结果初步探明影响主动式起伏板防波堤消浪性能的主要因素；通过数值模拟深入分析主动式起伏板运动相位差、振幅、频率对其消浪性能的影响及变化规律，与被动式起伏板结构对比分析其消浪机理，探究其在长周期波浪上消浪表现，并分析其工程可行性。结果表明：主动式起伏板通过与波浪相位相反的运动改变波面附近水质点运动轨迹，有效耗散波浪动能，起到抹平波峰波谷的效果；其通过基频运动显著降低了基频透射波浪，同时减小了波-涡相互作用抑制了高阶波浪的形成；主动式起伏板防波堤在中波、长波上均有较好消浪效果(相对板宽B/L=0.4和0.18时透射系数CT=0.1665和0.4206)，且不同海况下均可通过改变自身运动参数获得最优消浪性能，为解决实际海况中透空式防波堤对于长波透射率较高的问题提供了思路。
作者：	付丁
专业：	水利工程
导师：	赵西增
授予学位：	硕士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2022