不规则波作用下斜坡堤越浪的数值模拟.pdf

第３９卷第１期水道港口Ｖｏｌ．３９Ｎｏ．１

２０１８年２月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＷａｔｅｒｗａｙａｎｄＨａｒｂｏｒＦｅｂ．２０１８

不规则波作用下斜坡堤越浪的数值模拟

李东洋，张庆河，焦方骞

（天津大学水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津３０００７２）

摘要：基于ＯｐｅｎＦＯＡＭ建立三维数值波浪水槽生成不规则波，利用体积平均的ＲＡＮＳ方程和包含非线

性项的渗流方程描述斜坡堤内部的水体流动，通过网格划分工具对斜坡堤外层扭王护面块体进行全尺

度精细划分模拟，研究了正向入射不规则波与扭王块体护面斜坡堤的相互作用。模型模拟实验室尺度

及原型尺度斜坡堤得到的平均越浪量分别与试验结果及按照重力相似准则换算原型结果吻合较好，所

建立的数值模型可以描述实际工况下扭王块体护面斜坡堤的越浪过程。

关键词：不规则波；护面块体；渗流模型；越浪；原型模拟

中图分类号：ＴＶ１４３文献标识码：Ａ文章编号：１００５－８４４３（２０１８）０１－００２５－０６

斜坡堤是保护沿海地区免受潮、浪袭击的重要水工建筑物，由于斜坡堤迎浪面较缓，波浪爬高往往较

大，很容易发生越浪，因此准确模拟斜坡堤越浪过程并确定越浪量，对于斜坡堤的设计具有重要意义。

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早期对斜坡堤越浪的研究主要以物理模型试验为主，王聪等在总结前人物理模型试验的基础上，研

究了不规则波作用下挡浪墙高度等对越浪量的影响。近年来，随着计算机技术和并行计算的发展，利用数

值模型研究斜坡堤越浪成为港口海岸工程学科关注的热点。追踪自由表面运动的斜坡堤越浪数值模型主

［２］

要分为两大类，一类基于Ｎ－Ｓ方程，如ＶａｎＧａｎｔ等较早基于二维不可压缩的Ｎ－Ｓ方程研究了波浪与宽

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肩台可渗斜坡堤相互作用的水动力特性，Ｌｏｓａｄａ等基于体积平均的ＲＡＮＳ方程和ＶＯＦ方法建立了ＣＯ

ＢＲＡＳ（ＣｏｒｎｅｌｌＢｒｅａｋｉｎｇＷａｖｅｓａｎｄＳｔｒｕｃｔｕｒｅ）模型，模拟分析了不规则波在可渗斜坡堤上的越浪过程。关大

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玮基于ＣＦＤ软件Ｆｌｏｗ－３Ｄ建立三维数值波浪水槽，模拟研究了规则波和不规则波作用下不可渗光滑斜

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坡堤的越浪过程。闫科谛等基于ＯｐｅｎＦＯＡＭ软件建立数值波浪水槽，通过网格细化，刻画出栅栏板凹槽

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的形状，进而模拟了规则波作用下非可渗堤心栅栏板护面的斜坡堤越浪过程。Ｘｉａｎｇ等等通过将Ｆｌｕｉｄｉｔｙ

和Ｙ３Ｄ耦合的方法，模拟研究了规则波作用下扭王块体护面斜坡堤周围的水动力特性。另外一类模型为无

［７］［８］

网格方法，如叶晓文基于不可压缩ＳＰＨ数学模型研究了规则波沿可渗斜坡堤的爬坡和越浪过程，Ｒｅｎ

基于弱可压的光滑粒子流体力学方法（ＷＣＳＰＨ）模拟了波浪与可渗潜堤的相互作用，并分析了堤体内部的水

［９］

动力特性。温鸿杰基于改进的ＳＰＨ方法，模拟研究了规则波在出水堤上的破碎和越浪过程。

总体上来看，目前关于斜坡堤越浪数值模拟的研究还主要集中于规则波，对护面块体进行三维全尺度

模拟且考虑护面块体垫层以下可渗特性的工作也比较少见，这使得利用数值模型解决斜坡堤越浪等实际工

程问题仍受到一定的制约。因此，利用数值模型展现真实海况下斜坡堤越浪过程，需要进一步探索。考虑

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到ＳＰＨ类模型在压力脉动等方面还存在有待解决的