基于BFCrVOF方法的弧形防浪墙水动力数值模拟.PDF

第32 卷第4 期 水 道 港 口 Vol.32 No.4 2011 年 8 月 Journal of Waterway and Harbor Aug. 2011 基于BFC-VOF方法的弧形防浪墙水动力数值模拟 1，2 1 1 1 李雪艳 ，任 冰 ，王国玉 ，王永学 （1．大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，大连116023； 2.鲁东大学岩土工程重点实验室，烟台264025） 摘 要：文章建立了一种基于适体坐标系（BFC）的计算流体力学模型。采用坐标变换方法实现了任意复 杂区域的结构化网格划分，在贴体网格下对二维不可压缩粘性流体的控制方程进行了离散，修正了贴体 坐标下的界面跟踪方法（VOF 方法）。对弧形防浪墙结构附近的压力场，波面历时曲线进行了数值计算。 将采用适体坐标的计算结果与在笛卡尔坐标网格下采用部分单元体近似描述结构物边界的原算法的计 算结果进行了比较分析。通过物理模型试验，测量作用于防浪墙上的波浪压力，对所建立的数值模型进行 了验证。 关键词：适体坐标系；弧形防浪墙；物模试验；有效波浪压力 中图分类号：TV 131.2 ；O 242.1 文献标识码： A 文章编号：1005-8443 （2011）04-0270-06 由于能显著减小越浪量、降低防波堤堤顶高程、增强堤防景观效果等优点，近年来弧形防浪墙在港口和 海岸工程中得到了广泛应用。研究和工程实践表明，合理设计弧形防浪墙的曲线形式，既可以有效地将防波 堤前来浪“导回”海洋，又能使防浪墙在波浪力的作用下保持稳定。当波浪行进到防波堤前由于受防波堤反 射作用的影响已发生破碎或者接近破碎，堤前波浪形态十分复杂。目前关于这种新型防浪墙的水动力学特 性及其与波浪之间的相互作用机理还缺乏系统的研究，开展弧形防浪墙的研究工作具有重要意义。 前人在波浪与弧形防浪墙相互作用方面做了较多工作。琚烈红通过模型试验，测得波浪作用在防浪墙 上的点压强，并将结果积分处理后得到作用于防浪墙的波浪总力，分析了直立式与圆弧式防浪墙在受力方 ［1］ 面的差异 ；王登婷则测量了不同底高程条件下防浪墙迎浪面及底面上的波浪压强和防浪墙的整体稳定性， ［2 ］ 根据试验结果，给出了有助于弧形防浪墙设计的一些建议 ；王颖利用安置在防浪墙上的三分力天平，直接 测得防浪墙所受的波浪力。对多种防浪墙组合下，防浪墙所受波浪力大小进行比较，得出有利于减小波浪力 ［3 ］ 和防止越浪的组合形式，并且对试验测得波浪力进行分析研究，得出波浪力和波要素之间的影响关系 。由 于传统的物理模型试验具有占用场地、耗时长、成本高等缺点，本文选取数值模拟作为研究手段。刘长根等 在直角坐标系下，以N-S 方程为控制方程，用k-ε 模型封闭湍流模型，采用VOF 方法跟踪自由表面，建立了 ［4 ］ 二维垂向数学模型，对孤立波作用下，不同防浪墙前的波面，速度场和压力场进行了比较 。焦颖颖等和Liu 等基于FLUENT 软件平台建立了二维数值波浪水槽，采用流体体积（VOF）方法处理波浪自由表面，应用“解 析松弛”法实现了数值造波-消波；并对自由面以及防浪墙附近的网格进行了加密处理；对规则波作用下不 ［5-7 ］ 同弧形防浪墙的水动力特性进行了分析研究 。上述研究基于FLUNT 商业软件，在靠近弧形防浪墙附近 区域，采用简单的网格加密处理方法，以期得到比较精确的计算结果。而本文采用近年发展起来的贴体坐标 法，使曲线网格边界与结构物边界相吻合，能够得到