基于FLUENT的海堤越浪数值模拟
基于Fluent的波浪对海岸冲击的数值模拟
第35卷第4期2020年08月中国海洋平台CHINA OFFSHORE PLATFORMVol.35No.4Aug.,2020文章编号：1001-4500(2020)04-0056-04基于Fluent的波浪对海岸冲击的数值模拟陈从磊1,刘桢S王玉红彳，梁旭$(1•中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院，北京100083；2•浙江大学海洋学院，浙江舟山316021)摘要：在Fluent软件的基础上，通过流体体积算法，数值模拟波高为0.2m.周期为1.5s、波长为3.5m的波浪对墙体的冲击过程，重点研究波浪对墙体的冲击力作用和网格尺寸对流场变化的影响。
由模拟结果得出：墙体受到的冲击压力在时间历程上具有一定的周期性，但冲击压力的峰值具有一定的随机性；网格尺寸不同会导致自由面重构的不同，从而使流体体积法捕捉到的流场速度和压力不同，网格越精细，捕捉到的冲击压力更精确。
关键词：Fluent软件；海岸冲击；流场；数值模拟中图分类号：U656.2文献标志码：ANumerical Simulation for Impact of Waves on Coast Based on FluentCHEN Conglei1,LIU Zhen2,WANG Yuhong2,LIANG Xu2(1.Institute of Petroleum Exploration and Development,China Petroleumand Chemical Corporation,Beijing100083,China；2.Ocean College,Zhejiang University,Zhoushan316021,Zhejiang,China)Abstract:On the basis of Fluent software,Volume of Fluid(VOF)algorithm is used to numerically simulate the impact of waves on the wall under certain conditions that wave height is0.2m,wave period is1.5s and wave length is3.5m.Main attention is paid to the impact pressure,velocity field and the effects of grid size on the characteristics of the flow field.The simulation results show that：the impact pressure on the wall is of some periodicity in time history but the peak of the impact pressure is of some randomness；different grid sizes will affect different reconstructions of the free surface,so that the speed and pressure of the flow field captured by the VOF method are different,and the finer the grid,the more accurate the captured impact pressure is.Key words:Fluent software；impact on coast；velocity field；numerical simulation0引言我国每年都遭受严重的台风灾害。
基于潜堤地形上的波浪传播模拟
基于潜堤地形上的波浪传播模拟作者：李海涛唐啸宇李梦如袁荣耀徐乐然来源：《科技资讯》2017年第19期摘要：该文应用软件为FLUENT流体分析软件，控制方程为连续性方程和Navier-Stokes 方程。
应用GAMBIT建立数值波浪水槽模型并对其划分网格。
基于标准RNG 湍流模型和VOF自由液面捕捉方法，利用FLUENT的二次开发编写源程序，赋予前边界造波功能，形成与实验造波原理一致的推波板数值造波法。
建立潜堤地形下的波浪水槽模型，模拟潜堤地形下的波浪传播，其结果与实验值对比吻合良好，验证该模拟方法在复杂地形情况下的可行性。
关键词：Fluent 推波板造波潜堤中图分类号：TV13 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）07（a）-0197-04河口海岸附近区域具有丰富的资源、密集的人口、发达的经济，且在此区域内航道的开发、港口的建设、海岸工程的防护对于沿海地区的发展起着重要的作用。
准确计算堤前波要素成为港口、海岸和近海水工建筑物设计和规划的前提。
潜堤在保护海岸工程建筑物发挥巨大的作用。
因此，该文基于FLUENT对波浪在潜堤上的传播模拟做了一定研究。
结果表明利用推板式造波法能够模拟波浪在潜堤地形上的传播，为进一步研究波浪爬高、波流相互作用积累了经验。
1 研究背景及意义河口海岸附近区域具有丰富的资源、密集的人口、发达的经济，且在此区域内航道的开发、港口的建设、海岸工程的防护对于沿海地区的发展起着重要的作用。
准确计算堤前波要素成为港口、海岸和近海水工建筑物设计和规划的前提。
波浪在由深水向近岸传播的过程中，由于水深的变化，近岸区域的边界和建筑物等各种因素的作用，波浪会发生一系列的变化，例如有反射、绕射、折射、破碎等复杂多变的物理现象。
解决这一问题的研究方法现在主要有三种方法，分别是理论研究、物理模型试验以及数值模拟。
理论分析对试验和数值模拟具有相当重要的指导意义，但理论解通常是在简化模型的基础上求得，尽管对认识复杂问题的物理本质有着不可替代的作用，但是在解决实际工程问题中有局限性。
考虑护面块体影响的越浪数值模拟
考虑护面块体影响的越浪数值模拟郭立栋;孙大鹏;王鹏;黄明汉【摘要】为了在斜坡堤数值计算中考虑护面块体的影响,借鉴海绵阻尼层的消波方式,在湍流模型的控制方程中引入等效护面块体系数μ*的概念,并将等效系数μ*与规范中常用的糙渗系数K△相联系,构建了基于糙渗系数K△求解等效系数μ*的数值转换途径.该方法拓展了波浪数值模型的应用范围,在波浪与结构物相互作用的数值研究方面具有新意.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2014(000)005【总页数】5页(P32-35,40)【关键词】数值模型;护面块体;等效系数;糙渗系数【作者】郭立栋;孙大鹏;王鹏;黄明汉【作者单位】中交第一航务工程局有限公司,天津300461;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024;长江航道规划设计研究院,湖北武汉430011;中交天津港湾工程研究院有限公司,天津300222【正文语种】中文【中图分类】TV871斜坡式防波堤是一种常见的海岸结构物，能够有效地阻止波浪对堤后的侵袭。
在实际工程中，斜坡堤的堤前均铺设有护面块体。
护面块体是抛筑在护面层上以保证堤身在波浪作用下稳定的各种特定形状的混凝土块体，具有重心低、稳定性好、施工方便、护面平整美观等优点，常见的护面块体结构形式[1]主要有实心式、空心式和杆件式。
护面块体是斜坡堤的重要组成部分，一方面通过护面层的空隙和表面粗糙度形成紊流消能，降低波浪爬高；另一方面靠块体的自重和块体间的咬合、嵌固作用抵御正面波浪冲击力和上浮力，提高护面层的稳定性。
因此，在斜坡堤的物理模型试验及数值模型计算中均无法忽视护面块体的作用。
目前，对于带护面块体斜坡堤的湍流数值研究多采用多孔介质模型[2]，该模型是通过雷诺时均方程(RANS)中引入渗透介质理论得到的。
Arikawa等[3]采用考虑多孔介质作用的RANS方程建立了VOF二维数值波浪水槽，对越堤水体与堤后结构物的流体作用力进行研究。
基于dualsphysics模型的越浪数值模拟
ABSTRACTWave overtopping on seawall may lead to flooding over the area behind the seawall, being unusable of normal operations and even potential damage of the structure itself. Accurate estimation and simulation of wave overtopping have great significance in the design and usage of seawall. DualSPHysics is a weakly compressible, open-source hydrodynamic SPH model, which can easily capture large free surface deformation in strong nonlinear flows. DualSPHysics model uses parallelized technique and has high computation efficiency. Wave overtopping is studied by using the DualSPHysics model. The main research contents and conclusions obtained are as follows:(1) Active wave absorption system (AWAS) has been implemented in DualSPHysics model both for regular and random waves. Numerical results are validated by theoretical solutions, showing that the reflected secondary waves are well absorbed.(2) Numerical simulations of regular and random wave overtopping are conducted for sloping seawalls by using the DualSPHysics model combined with AWAS. The numerical results are compared with the experimental data of Saville (1955) and other numerical data of OpenFOAM et al. Good agreements are obtained, which show that DualSPHysics model can be used to simulate regular a random wave overtopping with good accuracy. Comparisions between numerical results of DualSPHysics and Sainflou formula as well as experiment data of wave pressure performed in large-scale wave flume semi-circular breakwater show that DualSPHysics model provides good prediction of wave impact on coastal structures.(3) DualSPHysics model is employed to reproduce random wave overtopping on breakwaters with different slopes. Comparision has been conducted among predicted results of overtopping discharge of irregular wave by the main popular formulas. It shows that the prediction formula in Coastal Engineering Manual gives the best results. Numerical simulation of wave overtopping of a sloping seawall with armour block is carried out and comparisons between smooth sloping seawall and sloping seawall with armour block have been conducted. Results show that armour block can increase wave energy dissipation on wave overtopping process. However, there exists structure and fluid particles separation phenomenon in the modeled results, which needs futher improvements.(4) Numerical simulations of regular wave overtopping on six different types of seawalls have been conducted by using the DualSPHysics model. Comparisions between vertical wall and curved wall as well as recurved wall on wave overtopping discharge and wave force show that recurved wall reduces wave overtopping discharge effectively but the wave force exerting on recurved wall is large; in contrast, wave overtopping discharge of curved wall and vertical wall are much larger and the wave force exerting on curved wall is much smaller. Finally, the influences of relative freeboard, wave period and water depth at the toe of seawall have been discussed on wave overtopping discharge of different seawalls, respectively.KEY WORDS：DualSPHysics model, Seawall, Active wave absorption system, Wave overtopping discharge, Wave force, Armour block, Overtopping rate prediction formula目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第1章绪论 (1)1.1研究背景和意义 (1)1.2 国内外研究现状 (2)1.2.1 防波堤越浪物模试验研究现状 (2)1.2.2防波堤越浪数值模拟研究现状 (4)1.2.3 SPH研究越浪现状 (5)1.3 论文主要工作和创新点 (7)第2章DualSPHysics模型介绍 (9)2.1 DualSPHysics模型理论基础 (9)2.1.1 积分近似 (9)2.1.2 粒子近似 (10)2.1.3 控制方程 (11)2.2 积分格式 (12)2.2.1运动基本控制方程 (12)2.2.2 Verlet数值积分格式 (13)2.2.3 Symplectic数值积分格式 (13)2.2.4 变时间步长 (14)2.3 边界条件 (14)2.3.1 动力边界条件DBC (14)2.3.2 周期性边界条件PBC (15)2.4DualSPHysics前处理 (15)2.5 DualSPHysics后处理 (16)2.5.1 自由表面高程算法 (16)2.5.2 流速求解算法 (17)2.5.3 压应力求解算法 (17)2.5.4作用力求解算法 (17)第3章DualSPHysics主动吸收式造波 (19)3.1 造波理论 (19)3.1.1一阶规则波理论部分 (19)3.1.2二阶规则波理论部分 (20)3.1.3不规则波理论部分 (20)3.2DualSPHysics数值造波结果 (22)3.3主动吸收式造波 (26)3.3.1DualSPHysics主动吸收式造波理论及实现步骤 (26)3.3.2 主动吸收式造波验证算例 (28)3.4 本章小结 (32)第4章DualSPHysics模拟波浪与结构物相互作用验证 (33)4.1 粒子间距dp敏感度分析 (33)4.1.1越浪量对粒子间距dp的敏感度分析 (33)4.1.2作用力对粒子间距dp的敏感度分析 (34)4.2 DualSPHysics模拟斜坡堤越浪量正确性验证 (35)4.2.1斜坡堤越浪模型设置 (35)4.2.2斜坡堤越浪实验波高率定 (36)4.3 DualSPHysics计算结构物上作用力验证 (39)4.3.1 DualSPHysics数值模拟结果与理论公式计算值对比 (40)4.3.2 DualSPHysics数值模拟结果与物理模型实验值对比 (43)4.4 本章小结 (46)第5章基于DualSPHysics模型的海堤越浪数值模拟 (47)5.1DualSPHysics模拟斜坡堤上不规则波越浪 (47)5.1.1 斜坡堤上不规则波越浪实验波高率定 (47)5.1.2 不规则波越浪数值模拟试验装置和参数设置 (49)5.1.3 不规则波作用下斜坡堤越浪过程流场分析 (51)5.1.4 不规则波作用下斜坡堤越浪过程涡量分析 (56)5.1.5 斜坡堤越浪量公式计算结果对比 (58)5.2 坡面铺设扭王字块体斜坡堤越浪数值模拟研究 (59)5.2.1 扭王字块模型建立 (59)5.2.2 光滑坡面与铺设扭王字块体坡面斜坡堤越浪过程对比 (61)5.2.3 波浪爬坡过程涡量对比图 (64)5.2.4DualSPHysics模拟铺设扭王字护面块体斜坡堤越浪问题探讨 (65)5.3 不同结构型式的海堤越浪研究 (65)5.3.1不同结构型式海堤越浪模型设置 (65)5.3.2不同结构型式海堤越浪数值模拟结果 (66)5.3.3 直立堤、弧形堤和反弧形堤越浪过程和受力对比 (68)5.4不同因素对海堤越浪量的影响研究 (73)5.4.1 相对干舷高度对不同结构型式海堤越浪量的影响 (73)5.4.2 波周期T对不同结构型式海堤越浪量的影响 (74)5.4.3 堤脚水深ds对不同结构型式海堤越浪量的影响 (75)5.5 本章小结 (76)第6章结论与展望 (78)6.1 论文主要工作 (78)6.2 研究展望 (79)参考文献 (80)发表论文和参加科研情况说明 (84)致谢 (85)第1章绪论1.1研究背景和意义我国拥有漫长的海岸线，其中大陆岸线长达18000公里，岛屿岸线长达14000公里，这些海岸线主要分布于我国东部沿海经济发达地区。
水流对沙滩冲刷过程的数值模拟
5.3 水流对沙滩冲刷过程的数值模拟5.3.1案例简介本案例是对水流冲刷沙滩过程的气固液三相流进行数值模拟，如图5-3-1所示，这是一个简化的二维模型，区域总长度为2000mm，总高度为500mm，下半部为一倾斜的沙子区域。
水流从左上角的100mm高的进口流入，进入区域冲刷沙子，然后从右侧500mm高的出口流出。
通过模拟，可清楚的看到水流对沙滩的冲刷过程，已经气固液三相的分布情况。
图5-3-1 水流冲刷模型5.3.2 Fluent求解计算设置1．启动Fluent-2D（1）双击桌面Fluent14.0图标，进入启动界面。
（2）选中Dimension→2D单选按钮，取消对Display Options下的三个复选按钮的选择。
（3）其它保持默认设置即可，单击OK按钮进入Fluent 14.0主界面窗口。
2．读入并检查网格（1）执行菜单栏中的File→Read→Mesh命令，在弹出的Select File对话框中读入convection.msh二维网格文件。
（2）执行菜单栏中的Mesh→Info→Size命令，得到如图5-3-3所示的模型网格信息：共有14342个节点，28411个网格面，14070个网格单元。
（2）执行菜单栏中的Mesh→Check命令。
反馈信息如图5-3-4所示，可以看到计算域三维坐标的上下限，检查最小体积和最小面积是否为负数。
图5-3-3 网格数量信息图5-3-4 Fluent网格信息3．求解器参数设置（1）单击选择左边workspace中P roblem Setup→General命令，在出现的General 面板中进行求解器的设置。
（2）General面板中，开启重力加速度。
单击选中Gravity复选按钮，Y(m/s2)文本框输入-9.8，Time下选中Transient单选框，其它求解参数保持默认设置，如图5-3-6所示。
图5-3-6求解参数设置（4）单击选择Problem Setup→Model命令，对求解模型进行设置，如图5-3-7所示。
基于VOF法的波浪数值模拟水槽(池)建立探索
第03期（总第466期）吉林水利2021年3月［文章编号"1009-2846(2021)03-0001-05基于VOF法的波浪数值模拟水槽（池）建立探索关大玮董志3,苗青竿张从联®（1.广东省水利水电科学研究院广东省水动力学应用研究重c实验室，广东广州510635；2.河口水利技术国家地方联合工程实验室，广东广州510635；3.广东省水安全科技协同创新中心，广东广州510635）［摘要］基于CFD技术建立的数值波浪水槽试验，使用了波浪理论构建的数｛水槽模型，在一定程度上能够代替物理实验的波浪水槽％数值波浪水槽构建难点在于实际波浪由于受到建筑物、地形等影响，往往会发生破碎、涡旋等现象，造波消波方法的选择也会对数值水槽建立和计算的准确性产生不同程度的影响％本文采用FLOW-3D软件，利用VOF方法，建立波浪数值水槽，将实验结果与Vincent and Briggs的椭圆浅滩实验结果对比，二者较为一致，说明波浪数值水槽结果合理有效％［关键词］数值水槽；造波；消波；数值模拟［中图分类号］TV139.20引言近年气候变化导致极端天气时有出现，台风、海啸和风暴潮时有发生。
灾害发生时，海堤在使沿海地区免遭潮、浪袭击的方面起到关键作用％所以，海堤的破坏往往导致严重的后果％因此，对海堤越浪影响的研究也愈发充分％越浪研究的实验关键在于能模拟现实情况的波浪水槽。
传统的波浪水槽建立在实验室，通过造波机波浪，将的模于水槽，果％传统物理实验水槽存在人力、力和时间本过高,测的有限的问题，的情况下难以一一模拟到，研究。
机技术发展，于CFD建立的数值波浪水槽试验，用的案例越来越％使用波浪理论建的水槽模，在理实验的波浪水槽。
于机建立的波浪水槽，［文献标识码］B传统理水槽，人力和，，使用的案例也愈发％112建立有的波浪水槽，在理后，的高波陡的0.3—0.5%、122于的N-S方和VOF方法，利用CFD软件FLUENT,经二次开发提出边界造波、多孔介质消波的方法，建立对波高0.16、有模拟弱线波浪水槽，具有高的实用价％李世森132用“三点”分离反射波，〕讨波浪水槽的建立时，如何组合消波介质能得最好的消波效果％路宽等142对几种的紊流模型进行对比，认为在波浪水槽中，RNG k-s 模型精度最高。
基于Fluent斜坡海堤挡浪墙受力特性数值计算研究
基于Fluent斜坡海堤挡浪墙受力特性数值计算研究杨成刚;丁洁;郝嘉凌;邹恒【摘要】海堤是沿海地区防潮减灾体系中重要建筑物,文章以通州湾腰沙围垦二期通道工程为例,采用Fluent软件流体体积法模型构建数值波浪水槽,对海堤工程挡浪墙波浪力进行数值模拟,重点分析与研究直立型和半圆弧型挡浪墙随水深、波高、波长等参数变化时,挡浪墙迎浪面波压力分布以及波浪力大小变化规律.研究表明半圆弧挡浪墙具有反向挑浪减小墙顶越浪作用,同时墙体承受的波浪力明显大于直立型挡浪墙,在最不利水位及波要素组合下,半圆弧挡浪墙面承受的波浪力增大幅度为30％,为减少墙顶越浪量,大型岸外沙洲围堤工程采用半圆弧型挡浪墙是较好选型.【期刊名称】《水道港口》【年(卷),期】2019(040)004【总页数】11页(P380-390)【关键词】挡浪墙;波压力分布;波浪力;数值模拟【作者】杨成刚;丁洁;郝嘉凌;邹恒【作者单位】河海大学港口海岸与近海工程学院,南京210098;中交上海航道勘察设计研究院有限公司,上海200136;河海大学港口海岸与近海工程学院,南京210098;上海市政设计研究院,上海200092【正文语种】中文【中图分类】U656.2江苏省海岸线长达954 km，沿中部地区独特的动力地貌蕴育了长约200 km、宽约90 km的辐射沙脊群，对其匡围类型有边滩垦区和岸外沙脊垦区。
岸外沙脊垦区匡围的技术较边滩匡围难度大。
由于新匡围区将建设成为重要港口工业集聚区、宜居沿海城镇区、富有特色的滩涂海滨旅游区，不仅有力地推动沿海经济的发展，还能增加就业与社会有效供给，以及改善生态环境，保障经济社会的可持续发展。
对此，新匡围区海堤工程结构的坚固与稳定尤为重要，需能确保新匡围区内免受风暴潮、风浪侵袭，其损毁将会造成巨大的经济损失[1]。
海堤堤顶设挡浪墙一方面抵御波浪，另一方面节约断面土石方量[2]。
对于挡浪墙结构承受的波浪力值，大多采用物理模型试验研究确定，近年来也有采用波浪数模进行研究。
基于FLUENT二次开发的数值波浪水槽_杨锦凌
在前端消波区： um cu j (1 c)ul ； vm cv j (1 c )vl ； pm cp j (1 c) pl 。 其中 [c]x min 0 [c]x max 1 。 在尾端消波区： um cu j ； vm cv j ； pm cp j 其中 [c]x min 1 ； [c]x max 0 。 将以上各区域的速度和压力表达式代入连续性方程（1） 和动量方程（2）和（3）后，得到水槽中各功能设置区内的 动量源项为： 造波区：
自由面的追踪采用 VOF 方法，即体积分数函数 q 定义
q =1，则表示单元内全部为第 q 相流体；若 q =0，则说明 该单元内没有第 q 相流体；若 0＜ q ＜1，则该单元称为交
q=1 代表气相，q=2 代表液相。 q 满足方程：
为单元内第 q 相流体所占有体积与该单元的体积之比。即若
利用软件的二次开发为数值波浪水槽添加造波、消波模块，在模拟水槽造波的基础上，分别验证了水槽末端以及造 波端消波的有效性，通过与以往造波、消波方法相对比，表明本文基于 FLUENT 软件建立的造波、消波功能的数值 波浪水槽具有高效性和精确性，为波浪与建筑物作用的后续研究工作奠定了基础。 关键词：FLUENT；源函数；二次开发；数值水槽 中图分类号：TV139.2 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2012）05-0059-03
第 5 期 杨锦凌等：基于 FLUENT 二次开发的数值波浪水槽 61
图 c 波腹点处波形随时间过程线
界面单元，对于波浪流动问题，它属于水、气分层交界，即
2
图2
不同位置处波面数值解与理论解对比
（2） 水槽末端消波有效性的验证： 设定数值波浪水槽长 度为 60m，水深为 2m，波要素采用波高为 0.1m、周期为 1.99s。将造波和末端消波的动量源项添加到图 1 水槽各相 应功能设置区域，当对水槽进行造波和水槽末端消波时，在 水槽工作区 0.1L、3L、5L （其中 L 为波长） 处，监测波 面同线性波理论解的对比如图 3（a） 、 （b）和（c）所示，与 图 2 相比，由于减小了水槽工作区的长度，波浪的沿程衰减 随之减小，因此模拟得到的波形与理论波形吻合良好，另外， 利用此方法能够得到了长历时的稳定波浪，说明水槽末端的 消波效果良好。
基于FLUENT软件的溢洪道三维泄流数值模拟
广西水利水电GUANGXI WATER RESOURCES &HYDROPOWER ENGINEERING 2018（4）[收稿日期]2018-03-20[作者简介]任庆钰（1987-），男，贵州毕节人，贵州省水利水电勘测设计研究院工程师，硕士，主要从事水利水电工程设计工作。
·试验研究·Fluent 软件具有20多年的发展历史，在航空航天、能源、汽车、化工、石油等领域得到了广泛的应用，是目前全球最高效、最精确和功能最强大的计算流体力学商用软件。
近年来，Fluent 软件在水利水电工程中的运用逐渐得到普及[1]。
本文基于Fluent 软件对某水库溢洪道进行三维水流数值模拟，并与物理模式试验结果进行对比，提出溢洪道三维水流数值模拟方法，该方法对于计算溢洪道沿程水面线、溢洪道泄流能力、动水压力及挑流长度效果较好。
1工程概况嘎醉河水库位于贵州省黔东南州凯里市舟溪镇东约1km 的鸭塘河上，距凯里市直线距离约11km ，距贵州省会贵阳公路里程约204km 。
工程建设的主要任务为城市供水，总库容1961万m 3，属Ⅲ等工程，水库为中型水库，年城镇供水量1720万m 3。
坝址正常蓄水位740.0m ，相应库容1961万m 3，面板堆石坝方案校核洪水位为742.74m （P =0.1%），总库容为1961万m 3。
取水隧洞设计引用流量0.68m 3/s 。
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》（SL252-2000）规定，该工程规模属中型，工程等别为III 等，永久性主要建筑物大坝为2级建筑物（坝高超过70m ），溢洪道、取水兼放空隧洞及泵站为3级建筑物。
2数学模型2.1控制方程[2]（1）连续性方程：∂U i∂X i=0（1）（2）动量方程：U i ∂t +U j ∂U i ∂X j =-1ρ∂P ∂X i +∂∂X j ()ν∂U i ∂X j-----u i u j +1ρF i （2）（3）k 方程：∂k ∂t +U j ∂k ∂X j =∂∂X j éëêùûú()ν+νt σk ⋅∂k ∂X j +G -ε（3）（4）ε方程：∂ε∂t +U j ∂ε∂X j =∂∂X j éëêùûú()ν+νt σε⋅∂ε∂X j +C 1εεk G -C 2εε2k（4）2.2计算方法及边界条件采用标准k —ε两方程紊流模型计算，在计算域中采用有限体积法进行控制方程的离散。
斜坡堤波浪爬高和越浪数值模拟
斜坡堤波浪爬高和越浪数值模拟
杨锦凌;孙大鹏;吴浩;李玉成
【期刊名称】《海洋工程》
【年(卷),期】2013(0)2
【摘要】基于FLUENT软件,采用k-ε湍流模型和VOF方法追踪自由表面,由连续性方程和动量方程推导出源函数,根据数值水槽各个区段的功能设置,借助其UDF 二次开发功能,实现无反射的源造波,在验证水槽两端消波有效性的基础上,数值模拟规则波在不可渗透斜坡堤上的波浪爬高和越浪。
通过与物模试验研究成果相对比,表明建立的数值水槽具有高效性和较高精度,可供实际工程参考应用。
【总页数】8页(P45-52)
【关键词】FLUENT;源造波;爬高;越浪;斜坡堤
【作者】杨锦凌;孙大鹏;吴浩;李玉成
【作者单位】海军工程设计研究局工程综合试验研究中心;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】P75;TV139.2
【相关文献】
1.不规则波作用下斜坡堤越浪的数值模拟 [J], 李东洋;张庆河;焦方骞
2.双峰谱波浪模拟及斜坡堤越浪特征 [J], 陈汉宝;管宁;戈龙仔
3.孤立波作用下斜坡堤越浪量的数值模拟 [J], 魏斐斐;熊芳杰;任兴月
4.基于格子Boltzmann方法的斜坡堤越浪数值模拟研究 [J], 李薪丰;张庆河;张金凤;刘光威
5.规则波作用下斜坡堤越浪量的数值模拟 [J], 段岳;高华喜;孙宇飞;齐欣
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海堤波浪越浪量常用计算方法评述
海堤波浪越浪量常用计算方法评述1.经验公式经验公式是根据大量实测资料的统计结果得出的，具有简单、实用的特点，适用于常见的海堤情况。
常用的经验公式有Raper公式、潜渗波浪理论公式和渗流波浪公式等。
- Raper公式：Raper公式是最早提出的一种计算波浪越浪量的经验公式。
该公式通过波浪高度、周期、波长和堤坡坡度等参数，通过实测系数得出波浪越浪量。
-潜渗波浪理论公式：该公式是根据波浪在海堤顶部的潜渗特性推导出来的，适用于堤坡较陡的情况。
该公式通过波高、周期、堤顶宽度和堤底深度等参数计算波浪越浪量。
-渗流波浪公式：该公式是针对近岸区域的波浪影响，考虑了波浪与海堤相互作用的渗流效应。
该公式通过波高、周期、波长和海堤参数等计算波浪越浪量。
经验公式的优点是简单快速，适用于初步设计和常见情况。
然而，经验公式仅适用于一定范围的条件，对于非常规情况或特定场景可能存在较大误差，需谨慎使用。
2.数值模拟方法数值模拟方法通过建立数学模型、求解方程组，模拟波浪在海堤上的传播和相互作用过程，计算波浪越浪量。
数值模拟方法包括有限元方法、边界元方法和有限差分方法等。
-有限元方法：有限元方法通过将计算区域离散化，并建立网格系统，将方程转化为代数方程组，通过迭代求解得到波浪越浪量。
该方法适用于不规则的复杂海堤形态和自由水面下的波浪传播问题。
-边界元方法：边界元方法通过将波浪理论方程转化为格林函数形式，并将边界上的边值问题转化为边界元方程组，通过求解得到波浪越浪量。
该方法适用于规则海堤形态和自由水面上的波浪传播问题。
-有限差分方法：有限差分方法将计算区域离散化，并建立网格系统，根据差分逼近法将偏微分方程转化为代数方程组，通过迭代求解得到波浪越浪量。
该方法适用于规则的海堤形态和自由水面上的波浪传播问题。
数值模拟方法的优点是精度较高，适用于复杂和特殊情况，但计算量较大，对计算条件和参数的设置要求较高。
综上所述，海堤波浪越浪量的计算方法包括经验公式和数值模拟方法。
规则波中复合式海堤越浪的数值模拟
上海交通大学硕士学位论文
seawall and submerged-dike is changed and several wave heights are adopted in computation. After analyzing the numerical data, it turns out that: 1) wave breaking around the submerged-dike is an important factor influencing the overtopping; 2) the distance between the main seawall and the submerged-dike has a remarkable effect on overtopping over main seawall, and the larger quantity of overtopping appears when the distance is about 1/2 of the wave length; 3) the quantity of overtopping increases along the height of the incoming wave.
KEY WORDS: VOF method, numerical wave flume,
submerged-dike, composite seawall, overtopping
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上海交通大学 学位论文原创性声明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
海堤抵御沿岸冲击波的实验模拟与数值模拟研究
海堤抵御沿岸冲击波的实验模拟与数值模拟研究引言海堤作为海洋工程的重要构筑物，在保护沿岸地区免受冲击波的侵蚀和洪水侵袭方面起着至关重要的作用。
为了确保海堤的稳固性和抵御能力，进行海堤抵御沿岸冲击波的实验模拟和数值模拟研究是必不可少的。
本文将探讨海堤抵御沿岸冲击波的实验模拟和数值模拟研究的方法和技术。
实验模拟研究1. 实验对象选择进行海堤抵御沿岸冲击波的实验模拟研究时，实验对象的选择是至关重要的。
通常我们选择实际海堤或其模型作为实验对象，以确保实验结果的可靠性。
2. 实验设备在进行实验模拟研究时，需要合适的实验设备来模拟冲击波的力和压力对海堤的作用。
常用的设备包括风洞和水泡。
3. 测试方法确定了实验对象和实验设备后，需要选择合适的测试方法来评估海堤抵御冲击波的能力。
常用的方法包括冲击波力测试、压力均衡测试和模拟海域临界条件测试。
数值模拟研究1. 数值方法选择数值模拟研究是利用计算机模拟技术来模拟海堤抵御冲击波的过程。
选择合适的数值方法对于模拟结果的准确性至关重要。
常用的数值方法包括有限元法、有限体积法和边界元法等。
2. 模型建立在进行数值模拟研究时，需要建立准确的海堤模型。
这涉及到收集海堤的几何参数和材料参数，包括海堤的高度、宽度、坡度以及材料的抗冲击波性能等。
3. 数值模拟经过模型建立后，可以利用数值方法进行模拟计算。
这需要输入相关的初始条件和边界条件，例如冲击波的入射角、海堤对冲击波的阻挡力等。
通过数值模拟可以得到海堤受到冲击波作用后的应力分布和变形情况。
实验模拟与数值模拟的对比与验证实验模拟和数值模拟都有其优势和局限性，因此进行对比与验证是必要的。
1. 参数对比可以通过实验模拟和数值模拟得到的参数进行对比，例如海堤所受的最大冲击力、应力分布等。
通过对比，可以评估数值模拟的准确性和可靠性。
2. 结果验证在实验模拟和数值模拟的基础上，可以通过实际观测和监测来验证模拟结果的准确性。
例如，在实际海堤上安装测量设备，记录冲击波对海堤的作用情况，然后将实测数据与模拟结果进行对比。
基于FLUENT的淹没环境高压水射流数值模拟
基于FLUENT的淹没环境高压水射流数值模拟刘霄亮;高辉;焦向东;田路【摘要】海底管道配重混凝土的去除工作是大多数水下管道维抢修的前提,高压水射流应用于海底管道配重混凝土的去除工作相比于机械方法优势明显.将高压水射流应用于海底需要探究淹没环境对射流效果的影响,通过FLUENT数值分析,分别研究了喷嘴直径、环境压力、射流压力对淹没射流动压的影响,得到了一些对工程有重要指导意义的结论,结论指出:淹没环境对高压水射流的效果削弱很大;环境压力对射流影响相对较小;喷嘴直径和射流压力对射流效果影响明显.最后通过淹没环境高压水射流破碎混凝土实验应用和验证了仿真所得结论.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2016(000)011【总页数】4页(P117-120)【关键词】高压水射流;淹没环境;FLUENT数值模拟;混凝土清除【作者】刘霄亮;高辉;焦向东;田路【作者单位】北京化工大学机电工程学院,北京100029;北京石油化工学院机械工程学院,北京102617;北京石油化工学院机械工程学院,北京102617;北京化工大学机电工程学院,北京100029【正文语种】中文【中图分类】TH16;TH137海底管道配重混凝土的去除是大多数水下管道维抢修的前提，高压水射流应用于海底管道配重混凝土的去除工作较机械去除的方法有很大的优势，工程应用广泛，但是目前国内还没有掌握这项技术。
高压水射流技术具有传递能量集中、无磨损、减尘和适应性强等优点[1-2]，广泛应用于清洗，切割、矿山开采、石油钻探以及建筑混凝土的破碎、清洗、打毛等项目[3-4]。
将高压水射流应用于海底混凝土的破碎有很大的优势，由于水下环境复杂，要求连续作业时间长，如果用机械去除的方法对刀具要求极高，容易磨损，维护成本很高，而且机械刀具也容易对海底管道造成额外损伤。
在海底应用高压水射流要注意淹没环境和海底高压环境对射流速度和动压较大的衰减作用，所以对淹没环境的高压水射流的相关研究很有必要。
基于FLUENT的库区涌浪数值模拟
基于FLUENT的库区涌浪数值模拟邓成进;袁秋霜;侯延华;贾巍【摘要】基于流体计算软件FLUENT,模拟某水电站库区近坝变形体可能失稳后下滑引起库区水面变化过程,分析初始涌浪形成以及涌浪在对岸爬坡和涌浪沿岸传播的过程;研究挡水建筑物对库区涌浪沿岸传播的影响,得出初始涌浪高度,以及对岸、沿岸、坝址处的最大浪高,并与潘家铮法估算结果进行对比分析.分析结果表明,数值模拟能较好反映波浪爬坡和沿岸传播过程,真实模拟库区水体相互作用;由于库区涌浪运动受大坝建筑物阻挡作用,库区水面的反复震荡和涌浪叠加,会形成更高的涌浪.计算的初始涌浪及库区各处的最大涌高更符合实际情况,可为近坝库区的工程设计及涌浪灾害的预防提供参考.【期刊名称】《水利水运工程学报》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】8页(P84-91)【关键词】库区;滑坡体;爬坡过程;最大浪高;涌浪叠加;挡水建筑物;数值模拟【作者】邓成进;袁秋霜;侯延华;贾巍【作者单位】中国水电顾问集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西西安710065;中国水电顾问集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西西安710065;中国水电顾问集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西西安710065;中国水电顾问集团西北勘测设计研究院有限公司,陕西西安710065【正文语种】中文【中图分类】TV697;O242库区存在的滑坡、崩滑体等不良地质体在失稳后高速滑入库中，产生的高速波浪足以对沿岸及下游建筑物和居民生命财产构成巨大威胁。
1963年发生在意大利瓦依昂水库的滑坡［1］、1982年发生的鸡扒子滑坡、1985年发生的新滩滑坡［2］、2003年发生的千将坪滑坡等库区滑坡失稳后激起的巨大涌浪，均造成了巨大的人员伤亡和财产损失。
因此，研究库区滑坡涌浪受到国内外学者的广泛关注。
但是，由于库区涌浪受多种因素影响且十分复杂，涌浪形成的边界条件和初始条件难以明确定义，滑坡涌浪的计算还没有一种通用的方法。
越浪的湍动及流场分析
越浪的湍动及流场分析郭立栋;孙大鹏;黄明汉【摘要】越浪一直是波浪水动力问题的一个难点,原因在于其形成受到多种强非线性现象的作用.应用一种新型数值波浪模型(0-1 BEM+ VOF耦合模型)对越浪过程进行研究分析,并探讨了湍动动能、动能耗散率及流场在周期内的变化趋势.【期刊名称】《水运工程》【年(卷),期】2014(000)009【总页数】6页(P32-36,50)【关键词】越浪;0-1 BEM+ VOF;耦合模型;湍动;流场【作者】郭立栋;孙大鹏;黄明汉【作者单位】中交第一航务工程局有限公司,天津300461;大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024;中交天津港湾工程研究院有限公司中国交建海岸工程水动力重点实验室,天津300222【正文语种】中文【中图分类】O353.2越浪是指防波堤在受到大的风浪袭击时,因浪高超过堤顶高程导致部分水体越过堤顶进入内坡的现象,一般用越浪量作为评价、计量及控制参数。
越浪时波浪会不断地冲击堤顶,使得防波堤遭受破坏,严重时会形成溃堤,对堤后居民的生命财产及工农业设施造成无法估量的损失。
越浪也是波浪水动力问题的一个难点,原因在于其形成过程受到多种强非线性现象的作用,例如,波浪翻卷、破碎、冲击等。
越浪时回流的水流还会与上升的水流间互相掺混,全程都伴随着剧烈的水流湍动现象。
因此,开展越浪的机理研究具有非常重要的工程价值和学术意义。
从20世纪50年代起,国外学者就开始使用模型试验的手段对海岸工程中出现的越浪进行研究,Saville等[1]、Weggel等[2]、Van der Meer等[3]、Hebsgaard等[4]通过大量的越浪试验给出了越浪量的计算公式。
我国学者自20世纪80年代始也进行了大量的越浪物模试验研究,例如：虞克等[5]、卢无疆[6]、王红等[7]。
通过物模试验可以获得直观、可靠的结果,并分析给出相应的越浪量计算公式,但是这种方式投资大、周期长,并受到工况的限制以及模型比尺效应的影响。
基于FLUENT的波浪数值仿真和对出水物体的作用分析
基于FLUENT的波浪数值仿真及其对出水物体的作用研究一、课题研究目的物体出水运动是一个涉及气液两相问题的三维非定常过程。
在这一过程中，物体的边界条件发生剧烈变化，同时波浪的存在，对物体边界流场的压力、流线分布也起到十分重要的影响。
因此，分析波浪力对于研究水面运动体和出水物体所受应力十分关键。
目前解决该问题的研究手段主要有物理模型实验与数值模拟等。
物理模型实验主要是通过在波浪水槽中进行的实验来研究波浪，采用PIV实验对流场进行跟踪；数值模拟则是通过建立数值模型，通过GAMBIT、FLUENT等CFD软件来进行离散计算。
数值模拟可以节约人力、物力、财力和时间，而且数值模拟可重复性好，条件易于控制，比实验更灵活，此外在海洋结构物的分析和设计中，一般来说，解析解只适用与简单几何形状或线性波浪问题，因而数值解法更有普遍意义。
如果能够对高阶非线性波进行计算模拟，那么就可以用数值波浪水槽模拟各种条件下、特别是极端波况下的波浪运动特性。
所以此项目将采取以数值计算为主，微型实验为辅助的方式开展。
项目分析结果将对解决水下导弹发射等实际工程问题起到参考借鉴作用。
二、课题背景用计算机模拟取代或部分取代海岸与海洋工程模型试验的设想近些年正逐渐成为现实.与物理模型试验相比,数值模拟不仅成本低,可以避免比尺效应,而且在工况选择以及复杂流场的分析处理等方面也具有明显的优越性.关于数值波浪水池的想法由来已久[1],其实质是构建一个数值模拟平台,在该平台上赋予通常实验室中的波浪水池所具有的功能.基于势流理论和应用边界元方法构建数值波水池的工作已有不少尝试.目前发展了以时域高阶边界元方法求解完全非线性的势流方程,例如,Kim等和Grilli等的工作.然而,结构物附近由于粘性作用而导致的各种复杂流动状况毕竟不能用势流理论来反映.此外,边界元方法在处理复杂自由水面时难免失效.自Harlow等提出MAC方法和Hirt等提出VOF方法以来,带自由表面粘性不可压缩流体运动的数值计算技术得到了迅速的发展.在此基础上构建数值波浪水槽的工作也受到了重视.Wang基于VOF方法建立了二维数值波浪水槽并应用所建立的数值波浪水槽开展了波浪对近海平台底部冲击过程的研究.最近,日本一研究小组推出了一个二维的CADMAS-SURF系统,其核心技术是VOF方法.较早将VOF方法推广到三维带自由表面粘性流体运动的是Torrey等. Wang和Su应用改进的VOF方法进行了圆柱容器内液体晃动问题的三维数模在海洋工程问题中，波浪力是作用在工程结构上的最主要的外力之一。
高防护等级海堤越浪的数值模拟
第４１卷第１期２０２０年２月水㊀道㊀港㊀口ＪｏｕｒｎａｌｏｆＷａｔｅｒｗａｙａｎｄＨａｒｂｏｒＶｏｌ.４１㊀Ｎｏ.１Ｆｅｂ.２０２０收稿日期:２０１９－０５－０６ꎻ修回日期:２０１９－０６－０３基金项目:高防护等级海堤断面结构及护面材料选择研究(ＫＹ２０１７－０２－４８)作者简介:张奕泽(１９８９－)ꎬ男ꎬ工程师ꎬ主要从事水工结构设计方面的研究工作ꎮＢｉｏｇｒａｐｈｙ:ＺＨＡＮＧＹｉ￣ｚｅ(１９８９－)ꎬｍａｌｅꎬｅｎｇｉｎｅｅｒ.高防护等级海堤越浪的数值模拟张奕泽ꎬ黄伟斌ꎬ曹如意(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司ꎬ杭州３１１１２２)摘㊀要:以福建省泉州市的某高防护等级海堤设计为依托ꎬ在已完成的物理模型研究结果基础上ꎬ尝试采用Ｆｌｏｗ３Ｄ软件建立数学模型ꎬ进行模拟越浪量研究ꎬ对防浪墙顶高程的合理性进行分析ꎬ并对不同形式的海堤护面结构进行数值模拟研究ꎮ该数值模拟方法具有较大的工程应用价值ꎬ可为今后在其他海堤工程设计中提供一定的参考价值ꎮ关键词:高防护等级ꎻ海堤ꎻ越浪ꎻ数值模拟中图分类号:Ｕ６５ꎻＴＶ１４３㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ文章编号:１００５－８４４３(２０２０)０１－００５８－０７我国海岸线漫长ꎬ海堤工程是沿海地区或涉海工程防御潮(洪)水侵袭的重要工程设施ꎮ随着经济和社会的快速发展ꎬ海堤设计的防护等级和安全性要求也越来越高ꎮ波浪作用在海堤上ꎬ当水体能够越过堤顶时ꎬ会产生越浪ꎬ理论上讲ꎬ只要堤顶足够高ꎬ越浪是可以避免的ꎮ但一方面ꎬ海堤按照完全不允许越浪标准设计建造往往不经济ꎻ同时ꎬ由于当地地基处理条件不具备或虽经处理仍达不到地基承载力要求时ꎬ堤身高度会受到限制ꎻ另一方面ꎬ由于设计水位及波浪要素的不确定性ꎬ特别是在风暴潮作用下ꎬ越浪量会大大增加ꎬ对海堤造成破坏ꎬ导致严重后果[１]ꎮ因此准确模拟斜坡堤越浪过程并确定越浪量ꎬ对于斜坡堤的设计具有重要意义[２]ꎮ从２０世纪５０年代开始ꎬ国内外专家学者对越浪量进行了大量研究:１９５５~１９５８年Ｔ.Ｓａｖｉｌｌｅ[３－４]进行了规则波作用下斜坡堤越浪量数模研究ꎻ１９８０~１９９１年Ｏｗｅｎ[５－７]针对简单斜坡堤和带肩台的斜坡堤进行了较为系统的越浪量研究并给出了不规则波平均越浪量计算公式ꎮ国内学者中２００５年陈国平[８]通过具体工程越浪研究提出斜坡上越浪量不仅与护面类型有关ꎬ还与护面消浪结构所处位置有关ꎮ２０１８年李东洋[２]基于ＯｐｅｎＦＯＡＭ建立数值波浪水槽ꎬ模拟研究了原型条件下的斜坡堤越浪ꎬ对护面块体进行全尺度模拟的数值波浪水槽目前已可以较为合理地描述复杂护面块体斜坡堤的越浪过程ꎮ随着计算机技术发展ꎬ利用ＣＦＤ技术建立数值波浪水槽具有广泛的应用前景ꎮ目前海堤工程设计中往往需要比选不同的断面结构类型ꎬ在波浪作用下ꎬ研究断面型式对工程安全和使用产生的影响ꎮ尤其对于高防护等级的海堤设计而言ꎬ需要充分研究各种极端波况和断面结构等因素与越浪量之间的关系ꎬ确保工程建设的合理性和安全性ꎮ应用数学模型研究模拟海堤越浪过程并确定越浪量ꎬ对于级别为１级㊁防潮标准为１００ａ一遇及其以上的防护等级较高的海堤设计具有重要意义ꎮ本文基于Ｆｌｏｗ３Ｄ软件平台ꎬ结合泉州地区某高防护等级海堤工程设计项目ꎬ针对２种不同海堤断面结构型式ꎬ在已完成的物理模型研究结果的基础上[９]ꎬ建立数值波浪水槽对越浪量进行数值模拟ꎬ通过直观的数据和图像分析比较不同护面和断面结构的消浪效果ꎮ研究海堤在极端工况波浪作用下的水力学特性ꎬ给出海堤不同防浪墙顶高程和结构护面型式下的越浪量变化规律ꎮ为今后的高防护等级海堤的设计ꎬ寻求比较合理㊁经济且可行的研究方法ꎮ２０２０年２月张奕泽ꎬ等㊀高防护等级海堤越浪的数值模拟１㊀数学模型１.１㊀控制方程假定水与空气均为不可压流体ꎬ且考虑垂向三维流动ꎮ在笛卡尔坐标系中ꎬ连续方程和ＲＡＮＳ方程为ƏƏｘ(ｕＡｘ)＋ƏƏｙ(ｖＡｙ)＋ƏƏｙ(ｗＡｚ)＝０(１)ƏｕƏｔ＋１ＶＦ(ｕＡｘƏｕƏｘ＋ｖＡｙƏｕƏｙ＋ｗＡｚƏｕƏｚ)＝－１ρƏｐƏｘ＋Ｇｘ＋ｆｘ(２)ƏｖƏｔ＋＋１ＶＦ(ｕＡｘƏｖƏｘ＋ｖＡｙƏｖƏｙ＋ｗＡｚƏｕƏｚ)＝－１ρƏｐƏｙ＋Ｇｙ＋ｆｙ(３)ƏｗƏｔ＋＋１ＶＦ(ｕＡｘƏｗƏｘ＋ｖＡｙƏｗƏｙ＋ｗＡｚƏｕƏｚ)＝－１ρƏｐƏｚ＋Ｇｚ＋ｆｚ(４)式中:ρ为模拟流体的密度ꎻＶＦ为体积分数ꎻｘ㊁ｙ㊁ｚ分别为水平坐标和垂向坐标ꎻｔ为时间ꎻｕ㊁υ㊁ω为流速的水平分量和垂向分量ꎻＡｘ㊁Ａｙ㊁Ａｚ为三个方向的面积系数ꎻＧｘ㊁Ｇｙ㊁Ｇｚ表示各方向的重力项ꎻｆｘ㊁ｆｙ㊁ｆｚ为各方向的黏性项ꎬ其表达式为ρＶＦｆｘ＝－ƏƏｘ(Ａｘτｘｘ)＋ƏƏｙ(Ａｙτｘｙ)＋ƏƏｚ(Ａｚτｘｚ){}ρＶＦｆｙ＝－ƏƏｘ(Ａｘτｘｙ)＋ƏƏｙ(Ａｙτｙｙ)＋ƏƏｚ(Ａｚτｙｚ){}ρＶＦｆｚ＝－ƏƏｘ(Ａｘτｘｚ)＋ƏƏｙ(Ａｙτｙｚ)＋ƏƏｚ(Ａｚτｚｚ){}(５)式中:τ为剪应力ꎬ表达式为τｘｘ＝－２μƏｕƏｘ－１３(ƏｕƏｘ＋ƏｖƏｙ＋ƏｗƏｚ){}τｙｙ＝－２μƏｖƏｙ－１３(ƏｕƏｘ＋ƏｖƏｙ＋ƏｗƏｚ){}τｚｚ＝－２μƏｗƏｚ－１３(ƏｕƏｘ＋ƏｖƏｙ＋ƏｗƏｚ){}τｘｙ＝τｙｘ＝－μƏｖƏｘ＋ƏｕƏｙæèçöø÷τｘｚ＝τｚｘ＝－μƏｗƏｘ＋ƏｕƏｚæèçöø÷τｙｚ＝τｚｙ＝－μƏｗƏｙ＋ƏｖƏｚæèçöø÷(６)式中:μ为模拟流体的动力粘滞系数ꎮ图１㊀Ｆｌｏｗ３Ｄ边界造波示意图Ｆｉｇ.１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｂｏｕｎｄａｒｙｗａｖｅｍａｋｉｎｇ１.２㊀湍流模型本项目中选用由ｋ￣ε模型改进得到的ＲＮＧｋ￣ε模型ꎬＲＮＧｋ￣ε模型与ｋ￣ε模型所使用的等式相似ꎬ但它将ｋ￣ε模型中的经验系数通过显式推导进行了修正ꎮ１.３㊀边界条件和初始条件ＦＬＯＷ３Ｄ中有１０种不同的边界条件可以定义ꎬ本项目Ｆｌｏｗ３Ｄ入口边界处造波条件在网格边界上定义采用基于不规则波理论的速度入口法进行造波ꎬ示意图如图１ꎮ本次造波边界由有效波高和平均周期计算ＪＯＮＳＷＡＰ谱并在边界处进行自定义波谱的输入ꎮ在Ｆｌｏｗ３Ｄ中采用ｗａｌｌ壁边界模拟实际水槽中采用水泥抹面的防渗底ꎬ并采用滑移边界ꎮ实际水槽易受空间的限制ꎬ宽度有限ꎬ通常采用玻璃或水泥作为边壁ꎬ当波浪入射方向存在偏斜ꎬ很容易发生波浪反射:在Ｆｌｏｗ３Ｄ中可采用流体通量为０㊁剪切应力为０的对９５水㊀道㊀港㊀口第４１卷第１期称边界ꎮ采用对称边界ꎬ不仅可以有效的减少撞面对波浪的反射ꎬ还可有效降低计算量ꎬ并可通过对称的方式提取整个模型的计算结果ꎮ数值波浪水槽在０时刻时ꎬ波面为自由水面ꎬ压强为沿Ｚ轴方向分布的静水压强ꎮ为了准确描述波浪运动时的自由表面ꎬ采用ＶＯＦ法来追踪自由表面ꎮ１.４㊀方程的离散与求解Ｆｌｏｗ３Ｄ采用有限差分法对计算域进行时间和空间的离散ꎬ即把空间上连续的计算域划分为若干子域ꎬ并通过子域的节点生成网格ꎮ求解控制方程时ꎬ首先将其在单元格上离散ꎬ转化成各单元格节点上变量之间的线性方程组ꎬ然后通过求解该方程组的解得出各物理量在该时刻的近似值ꎮＦｌｏｗ３Ｄ中有三种压力速度分离解法:ＳＯＲ迭代法㊁线性隐式ＡＤＩ算法㊁ＧＭＲＥＳ算法ꎮ本文中采用ＧＭＲＥＳ迭代法ꎬ该算法具有计算精度高㊁易于收敛的特点ꎮ２㊀研究断面本工程海堤工程级别为１级ꎬ防潮标准为１００ａ一遇的设计标准ꎬ为高防护等级海堤ꎬ设计断面的结构型式见图２ꎬ其堤身主要结构如下:图２㊀海堤设计断面图Ｆｉｇ.２Ｄｅｓｉｇｎｐｒｏｆｉｌｅｏｆｓｅａｄｉｋｅ图３㊀海堤优化断面图Ｆｉｇ.３Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄｐｒｏｆｉｌｅｏｆｓｅａｄｉｋｅ防浪墙结构为 Ｌ 型Ｃ３０钢筋砼结构ꎬ墙顶高程▽８.５ｍꎬ顶宽０.５ｍꎬ净高０.５ｍꎮ堤顶高程▽８.０ｍꎬ路面净宽８ｍ(不含防浪墙)ꎮ消浪平台高程▽５.０ｍꎬ平台宽３.０ｍꎬ其上㊁下坡坡度均为１:２.５ꎬ下坡放坡至▽２.０ｍ高程平台ꎬ该平台宽也为３.０ｍꎬ两处坡面及两处平台均布置单重２ｔ的扭王字块体ꎮ扭王字块护面下方为３０ｃｍ厚灌砌块石护面ꎮ镇压层结构从▽２.０ｍ高程向下以１:１０的坡度放坡至▽－０.５ｍ高程ꎬ面层上采用５０ｃｍ厚灌砌块石护面ꎮ护脚结构通过梯形的灌砌块石镇脚与镇压层结构相接ꎬ堤顶路面内侧为１:３的草皮护坡结构ꎮ０６２０２０年２月张奕泽ꎬ等㊀高防护等级海堤越浪的数值模拟图４㊀海堤优化断面－栅栏板护面结构详图(单位:ｃｍ)Ｆｉｇ.４Ｏｐｔｉｍｉｚｅｄｐｒｏｆｉｌｅｏｆｓｅａｄｉｋｅ￣Ｄｅｔａｉｌｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｆｅｎｃｅｐｌａｔｅ㊀㊀从技术经济的角度出发ꎬ在初步设计阶段提出了海堤的优化断面(见图３)ꎬ其堤身主要结构如下:防浪墙结构为 Ｌ 型Ｃ３０钢筋砼结构ꎬ墙顶高程８.０ｍꎬ顶宽０.５ｍꎬ净高０.８ｍꎮ堤顶高程７.２ｍꎬ路面净宽８ｍ(不含防浪墙)ꎮ消浪平台高程４.５ｍꎬ平台宽３.０ｍꎬ其上㊁下坡坡度均为１:２.５ꎬ下坡放坡至２.０ｍ高程平台ꎬ该平台宽也为３.０ｍꎬ两处坡面及两处平台均布置栅栏板护面结构(见图４)ꎬ栅栏板的厚度为３０ｃｍꎬ其下方砼的构造尺寸为１５ｃｍꎮ栅栏板护面下方为３０ｃｍ厚干砌块石护面ꎬ２.０ｍ高程平台的外侧有Ｃ２５砼块支护ꎮ镇压层结构从２.０ｍ高程向下以１:８的坡度放坡至－１.５ｍ高程ꎬ面层上采用５０ｃｍ厚灌砌块石护面ꎬ护脚结构通过梯形的灌砌块石镇脚与镇压层结构相接ꎬ堤顶路面内侧为１:３的草皮护坡结构ꎮ３㊀模型设置３.１㊀模型建立３.１.１㊀堤身及护面模型建立为简化计算ꎬ在对海堤进行建模时对结构作适当简化ꎬ将随机摆放㊁杂乱且难以定量描述的护脚大块石均按照灌砌块石镇压层进行简化处理ꎬ表面粗糙度等参数皆按浆砌块石进行取值ꎬ且只对从堤脚到堤顶进行建模ꎬ略去后坡等结构ꎮ其余尺寸皆按照实际尺寸进行实体建模ꎬ根据设计时采用的尺寸ꎬ首先利用ＡＵＴＯＣＡＤ三维绘图完成实体建模ꎬ然后将ＳＴＬ文件导入模型中完成建模ꎮ几种不同断面的实体模型示意图见图５㊁图６ꎮ图５㊀扭王设计断面实体模型示意图Ｆｉｇ.５Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｏｌｉｄｍｏｄｅｌｏｆａｃｃｏｒｏｐｏｄｅｄｅｓｉｇｎｓｅｃｔｉｏｎ图６㊀栅栏板优化断面实体模型示意图Ｆｉｇ.６Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｏｌｉｄｍｏｄｅｌｏｆｆｅｎｃｅｐｌａｔｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｓｅｃｔｉｏｎ图７㊀边界条件定义示意图Ｆｉｇ.７Ｂｏｕｎｄａｒｙｃｏｎｄｉｔｉｏｎｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍ３.１.２㊀网格划分与边界条件数值波浪水槽长６８ｍꎬ高１２ｍꎮ水深为５.２６ｍꎬ考虑到护面块体的完整性ꎬ宽度根据护面形式有所区别ꎬ栅栏板断面宽５.７ｍꎬ扭王断面宽４.５ｍꎮ网格在护面块体处通过分块进行局部加密ꎬ分辨率为０.２ｍˑ０.２ｍˑ０.２ｍꎬ其余部分分辨率为其两倍ꎬ０.４ｍˑ０.４ｍˑ０.４ｍꎬ以减小网格分块处边界条件的传递误差ꎮ在建立的数值水槽中ꎬ最右边Ｘｍａｘ处为波浪入射边界ꎬ最左边Ｘｍｉｎ处和最下边水槽底部(Ｚｍｉｎ)设置为ｗａｌｌ壁面边界ꎬ不允许水流通过ꎬ前后设置为对称边界ｓｙｍｍｅｔｒｙꎬ顶部设置为压力边界ꎬ大小为０ꎮ图７为数值水槽的边界定义示意图ꎮ３.２㊀不规则波生成本次研究主要采用不规则波ꎬ期望谱选用合田良实改进的ＪＯＮＳＷＡＰ谱ꎬ该波浪谱普遍用于工程实际ꎬ其表达式为Ｓ(ｆ)＝βＪＨ２１３Ｔ－４ｐｆ－５ｅｘｐ[－１.２５(Ｔｐｆ)－４]ˑγｅｘｐ－(Ｔｐｆ)－４２σ２[](７)式中:βＪ＝０.０６２３８０.２３０＋０.０３３６γ－０.１８５(１＋γ)－１ˑ(１.０９４－０.０１９１５ｌｎγ)Ｔｐ＝ Ｔ１－０.５３２(γ＋２.５)－０.５６９１６水㊀道㊀港㊀口第４１卷第１期σ＝０.０７㊀㊀σɤσｐ０.０９㊀㊀σȡσｐ{图８㊀输入模型的波浪谱Ｆｉｇ.８ＴｈｅｗａｖｅｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆｔｈｅｉｎｐｕｔｍｏｄｅｌＳ(ｆ)为谱密度ꎬｍ２ ｓꎻγ为谱峰升高因子ꎬ取３.３ꎻＴｐ为谱峰周期ꎻσ为峰形参数ꎮ采用等分频率法ꎬ在频率方向分为７０份ꎬ由式３－１计算得每个频率离散值处对应的谱密度Ｓꎬ并将其以自定义不规则波谱的形式作为边界条件输入到Ｆｌｏｗ３Ｄ模型中ꎮ百年一遇波浪(有效波高１.５４ｍꎬ平均周期４.４ｓ)对应的波浪谱如图８ꎬ其余波高不再赘述ꎬ计算方法类似ꎮ３.３㊀越浪量测定方法对斜坡堤越浪量的测定ꎬ本项目结构为带防浪墙的斜坡堤ꎬ当波浪与防浪墙相互作用时ꎬ波浪形态将发生改变ꎬ且常伴有波浪的变形与破碎ꎮ考虑到数值模型处理结构的优势ꎬ将墙后堤顶区域挖空ꎬ构造出一个水池用以量测越浪水体的体积ꎮ图９为处理之后海堤用于量测水体体积的水池的示意图ꎮ图９㊀处理后的海堤模型示意图Ｆｉｇ.９Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｓｅａｄｉｋｅｍｏｄｅｌａｆｔｅｒｔｒｅａｔｍｅｎｔ取３０~５４０ｓ(１００个波)时间内的越浪量计算平均值ꎬ单宽平均越浪量按«波浪模型试验规程»[１０](ＪＴＪ/Ｔ２３４－２００１)的相关规定计算ꎮ４㊀断面的越浪数值模拟４.１㊀设计断面的数值模拟研究过程中ꎬ在１００ａ一遇高潮位(▽５.２６ｍ)水位下ꎬ选取的研究波要素的原型有效波高Ｈｓ＝１.５４ｍ(１００ａ一遇波浪)㊁２.０ｍ㊁２.５ｍ㊁３.０ｍꎬ波周期不变ꎮ入射波浪传至灌砌块石镇压层上方开始变形ꎬ绝大多数波浪均在▽５.０ｍ平台及其上㊁下斜坡面规则摆放的扭王字块护面上衰减(见图１０~图１１)ꎮ注:波浪在▽５.０ｍ平台扭王字块护面上斜坡上衰减ꎮ注:波浪冲击▽５.０ｍ平台及其上斜坡扭王字块护面后水花飞溅至堤顶路面ꎮ图１０㊀１００ａ一遇高潮位下入射Ｈｓ＝２.５ｍＦｉｇ.１０ＩｎｃｉｄｅｎｔＨｓ＝２.５ｍａｔｈｉｇｈｔｉｄｅｌｅｖｅｌｉｎ１００ｙｅａｒｓ图１１㊀１００ａ一遇高潮位下入射Ｈｓ＝３.０ｍＦｉｇ.１１ＩｎｃｉｄｅｎｔＨｓ＝３.０ｍａｔｈｉｇｈｔｉｄｅｌｅｖｅｌｉｎ１００ｙｅａｒｓ㊀㊀针对设计断面ꎬ在１００ａ一遇高潮位组合各波浪工况下进行了无风组次和加风组次下的越浪量研究ꎬ同时参照相应组次的物理模型研究的数据结果[９]ꎮ采用的设计风速为３７.５ｍ/ｓꎮＦｌｏｗ３Ｄ软件通过ＷＩＮＤ选项卡设置模拟风的物理作用过程ꎮ各研究组次下的越浪量研究结果汇总后列下表１ꎮ２６２０２０年２月张奕泽ꎬ等㊀高防护等级海堤越浪的数值模拟表１㊀各水文工况下设计断面的越浪量研究结果Ｔａｂ.１Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｗａｖｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｉｎｄｅｓｉｇｎｅｄｓｅｃｔｉｏｎｓｕｎｄｅｒｖａｒｉｏｕｓｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ序号水文工况Ｑ(ｍ３/(ｍ ｓ))(数模)无风组次加风组次Ｑ(ｍ３/(ｍ ｓ))(物模)无风组次加风组次１１００ａ一遇高潮位＋Ｈｓ＝１.５４ｍ０.００００４０.０００５５０.０００１０.０００５２１００ａ一遇高潮位＋Ｈｓ＝２.０ｍ０.００１０.００４８０.０００３０.０００９３１００ａ一遇高潮位＋Ｈｓ＝２.５ｍ０.００７４０.００８０.００１０.００１７４１００ａ一遇高潮位＋Ｈｓ＝３.０ｍ０.０１４０.０１６０.００２５０.００３３㊀㊀由表１可见ꎬ设计断面在无风情形㊁加风情形下的越浪量均极小ꎬ无风情形下的越浪主要由波浪打击扭王字块护面后水花飞溅至堤顶所致ꎬ而加风组次下大风将部分溅起的水花加速吹向了堤顶ꎬ故加风组次的越浪量明显大于无风组次ꎮ１００ａ一遇高潮位组合Ｈｓ＝１.５４ｍ工况下数模和物模的模海堤越浪量两者较为注:波浪冲击▽４.５ｍ平台上斜坡的栅栏板护面ꎮ图１２㊀１００ａ一遇高潮位下入射Ｈｓ＝２.０ｍＦｉｇ.１２ＩｎｃｉｄｅｎｔＨｓ＝２.０ｍａｔｈｉｇｈｔｉｄｅｌｅｖｅｌ接近且均极小ꎬ可以忽略不计ꎮ在１００ａ一遇高潮位下ꎬ逐级加大入射波高(Ｈｓ＝２.０ｍ㊁２.５ｍ㊁３.０ｍ)后ꎬ越浪量随之增大ꎬ数模的结果相较物模均略微偏大ꎬ但二者的量值仍小于允许越浪的越浪量标准[１１]０.０２ｍ３/(ｍ ｓ)ꎮ从设计断面的越浪量值来看ꎬ目前设计断面的防浪墙顶高程▽８.５ｍ能较好满足防浪要求ꎮ４.２㊀优化断面的数值模拟研究过程中ꎬ在１００ａ一遇高潮位(▽５.２６ｍ)水位下ꎬ选取的研究波要素的原型有效波高Ｈｓ＝１.５４ｍ(１００ａ一遇波浪)㊁２.０ｍꎬ波周期不变ꎮ入射波浪传至灌砌块石镇压层上方开始变形和衰减ꎬ部分波浪则直接冲击▽４.５ｍ平台及其下斜坡规则摆放的栅栏板护面ꎬ少数波浪冲击▽４.５ｍ平台上斜坡的栅栏板护面后ꎬ少量水体越过防浪墙顶形成越浪ꎬ如图１２所示ꎮ针对优化断面ꎬ在１００ａ一遇高潮位组合１００ａ一遇波浪工况下进行了无风组次和加风组次下的越浪量研究ꎬ在加大波高后也开展了相应无风㊁加风组次的越浪量研究ꎮ各研究组次下的越浪量研究结果汇总后列于下表２ꎮ表２㊀各水文工况下优化断面的越浪量研究结果Ｔａｂ.２Ｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｏｆｗａｖｅｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｉｎｏｐｔｉｍｉｚｅｄｓｅｃｔｉｏｎｓｕｎｄｅｒｖａｒｉｏｕｓｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ序号水文工况Ｑ(ｍ３/(ｍ ｓ))(数模)无风组次加风组次Ｑ(ｍ３/(ｍ ｓ))(物模)无风组次加风组次１１００ａ一遇高潮位＋Ｈｓ＝１.５４ｍ０.０００１０.０００５７０.００２７０.００５９２１００ａ一遇高潮位＋Ｈｓ＝２.０ｍ０.００６１０.００９３０.００４４０.００８１㊀㊀由表２可见ꎬ优化断面在无风情形㊁加风情形下的越浪量越浪量均较小ꎮ无风情形下的越浪主要由波浪打击栅栏板护面后的少量水体飞溅至堤顶所致ꎬ而加风组次下大风则将溅起的水花加速吹向了堤顶ꎬ故加风组次的越浪量明显大于无风组次ꎮ在１００ａ一遇高潮位下ꎬ加大入射波高至Ｈｓ＝２.０ｍ后ꎬ此时数模与物模的结果较为接近ꎮ加风组次的越浪量０.００９３ｍ３/(ｍ ｓ)仍小于允许越浪的越浪量标准[１１]０.０２ｍ３/(ｍ ｓ)ꎬ可见优化断面的防浪墙顶高程▽８.０ｍ仍能满足设防要求ꎮ考虑到海堤越浪存在多种不确定性因素ꎬ越浪量０.００９３ｍ３/(ｍ ｓ)已不容忽视ꎬ优化断面的防浪墙顶高程可采用▽８.０ｍꎬ不建议再行下降ꎮ５㊀结语(１)本文基于Ｆｌｏｗ３Ｄ软件平台ꎬ借助其参数设置和相关自定义功能ꎬ建立了数值波浪水槽ꎬ首先模拟了某海堤设计断面情况下的越浪情况ꎬ发现相比于物模研究值ꎬ本文的各工况下计算结果总体趋势是合理的ꎮ进而对优化断面时的越浪进行了模拟ꎬ考虑了防浪墙顶墙高程和护坡型式改变之后对于越浪量的影响ꎬ所得越浪量结果与物模实验的结论基本吻合ꎮ设计断面和优化断面的数模越浪量值都随着入射波高的增大而增大ꎬ且有风组次下的越浪量也都大于无风组次下的工况ꎬ与相应物模试验的结论一致ꎮ从研究结果看ꎬ３６４６水㊀道㊀港㊀口第４１卷第１期对护面块体进行模拟的数值波浪水槽目前对描述复杂护面块体斜坡堤的越浪过程有一定的应用价值ꎬ可以应用于设计阶段对高防护等级海堤断面型式和顶高程的优化确定ꎻ(２)针对优化断面开展越浪量研究ꎬ结果表明ꎬ断面的防浪墙顶高程▽８.０ｍ仍能满足设防要求ꎮ但考虑到海堤越浪存在多种不确定性因素ꎬ越浪量０.００９３ｍ３/(ｍ ｓ)已不容忽视ꎬ优化断面的防浪墙顶高程可采用▽８.０ｍꎬ不建议再行下降ꎻ(３)从设计断面的越浪量量值及波浪对堤身上部结构的作用来看ꎬ目前设计断面的防浪墙顶高程▽８.５ｍ能较好满足防浪要求ꎻ(４)需要指出的是ꎬ本文在已完成的物理模型研究的基础上ꎬ尝试基于Ｆｌｏｗ３Ｄ软件建立数学模型模拟越浪过程ꎬ但相对于更为直观的物理模型还是存在很多简化处理的情况ꎬ因此在实际设计中应综合考虑各种方法的适用性ꎮ参考文献:[１]范红霞.斜坡式海堤越浪量及越浪流研究研究[Ｄ].南京:河海大学ꎬ２００６.[２]李东洋ꎬ张庆河ꎬ焦方骞.不规则波作用下斜坡堤越浪的数值模拟[Ｊ].水道港口ꎬ２０１８ꎬ３９(１):２５－２９.ＬＩＤＹꎬＺＨＡＮＧＱＨꎬＪＩＡＯＦＱ.Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｏｖｅｒｔｏｐｐｉｎｇｏｆｓｌｏｐｉｎｇｂｒｅａｋｗａｔｅｒｕｎｄｅｒｉｒｒｅｇｕｌａｒｗａｖｅ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆＷａｔｅｒｗａｙａｎｄＨａｒｂｏｒꎬ２０１８ꎬ３９(１):２５－２９.[３]ＳａｖｉｌｌｅＴ.Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙｄａｔａｏｎｗａｖｅｒｕｎｕｐａｎｄｏｖｅｒｔｏｐｐｉｎｇ[Ｍ].ＷａｓｈｉｎｇｔｏｎＤＣ:ＬａｋｅＯｋｅｅｃｈｏｂｅｅＬｅｖｅｅＳｅｃｔｉｏｎꎬＵＳＡｒｍｙꎬＣｏｒｐｓｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｓꎬＢｅａｃｈＥｒｏｓｉｏｎＢｏａｒｄꎬ１９５５.[４]ＳａｖｉｌｌｅＴ.Ｌａｒｇｅ￣ｓｃａｌｅｍｏｄｅｌｔｅｓｔｓｏｆｗａｖｅｒｕｎｕｐａｎｄｏｖｅｒｔｏｐｐｉｎｇｏｎｓｈｏｒｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ[Ｍ].ＷａｓｈｉｎｇｔｏｎＤＣ:ＬａｋｅＯｋｅｅｃｈｏｂｅｅＬｅｖｅｅＳｅｃｔｉｏｎꎬＵＳＡｒｍｙꎬＣｏｒｐｓｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｓꎬＢｅａｃｈＥｒｏｓｉｏｎＢｏａｒｄꎬ１９５８.[５]ＯｗｅｎＭＷ.Ｄｅｓｉｇｎｏｆｓｅａｗａｌｌｓａｌｌｏｗｉｎｇｆｏｒｏｖｅｒｔｏｐｐｉｎｇ[Ｒ].Ｗａｌｌｉｎｇｆｏｒｄ:Ｈｙｄｒａｕｌｉｃｓｒｅｓｅａｒｃｈｓｔａｔｉｏｎꎬ１９８０.[６]ＯｗｅｎＭＷ.ＯｖｅｒｔｏｐｐｉｎｇｏｆＳｅａＤｅｆｅｎｃｅｓ[Ｃ]//ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｏｆＩｎｔｌ.ＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＨｙｄｒａｕｌｉｃｓＭｏｄｅｌｉｎｇｏｆＣｉｖｉｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ.Ｃｏｖｅｎｔｒｙ:ＢＨＲＡＳｔｒｕｃｔｕｒｅꎬ１９８２:４６９－４８０.[７]ＯｗｅｎＭＷꎬＳｔｅｅｌｅＡＡＪ.Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓｏｆｒｅｃｕｒｖｅｄｗａｖｅｒｅｔｕｒｎｗａｌｌ[Ｒ].Ｗａｌｌｉｎｇｆｏｒｄ:ＨｙｄｒａｕｌｉｃｓＲｅｓｅａｒｃｈꎬ１９９１. [８]陈国平ꎬ周益人ꎬ琚烈红.海堤护面型式对波浪爬高和越浪的影响[Ｊ].水运工程ꎬ２００５(１０):２８－３０.ＣＨＥＮＧＰꎬＺＨＯＵＹＲꎬＪＵＬＨ.Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｐｒｏｔｅｃｔｉｖｅｓｔｙｌｅｓｏｆｓｅａｗａｌｌｏｎｗａｖｅｒｕｎｕｐａｎｄｏｖｅｒｔｏｐｐｉｎｇ[Ｊ].Ｐｏｒｔ＆ＷａｔｅｒｗａｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ２００５(１０):２８－３０.[９]黄伟斌.浅析某海堤工程典型断面设计[Ｊ].工程技术:引文版ꎬ２０１７(２):４６－４７.ＨＵＡＮＧＷＢ.Ａｎａｌｙｓｉｓｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｙｐｉｃａｌｓｅｃｔｉｏｎｏｆａｓｅａｗａｌｌｐｒｏｊｅｃｔ[Ｊ].ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ:ｃｉｔｅｄｖｅｒｓｉｏｎꎬ２０１７(２):４６－４７.[１０]ＪＴＪ/Ｔ２３４－２００１ꎬ波浪模型研究规程[Ｓ].[１１]ＧＢ/Ｔ５１０１５－２０１４ꎬ海堤工程设计规范[Ｓ].ＮｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｎｏｖｅｒｔｏｐｐｉｎｇｄｉｓｃｈａｒｇｅｏｆｓｅａｄｉｋｅｏｆｈｉｇｈｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｌｅｖｅｌＺＨＡＮＧＹｉ￣ｚｅꎬＨＵＡＮＧＷｅｉ￣ｂｉｎꎬＣＡＯＲｕ￣ｙｉ(ＰＯＷＥＲＣＨＩＮＡＨｕａｄｏｎｇＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎꎬＨａｎｇｚｈｏｕ３１１１２２ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:Ｃｈｉｎａｈａｓａｌｏｎｇｃｏａｓｔｌｉｎｅꎬａｎｄｔｈｅｓｅａｄｉｋｅｐｒｏｊｅｃｔｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｆａｃｉｌｉｔｙｆｏｒｃｏａｓｔａｌａｒｅａｓｏｒｓｅａ￣ｒｅｌａｔｅｄｐｒｏｊｅｃｔｓｔｏｐｒｅｖｅｎｔｔｈｅｉｎｖａｓｉｏｎｏｆｔｉｄｅ(ｆｌｏｏｄ)ｗａｔｅｒ.Ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｅｃｏｎｏｍｙａｎｄｓｏｃｉｅｔｙꎬｔｈｅｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｌｅｖｅｌａｎｄｓａｆｅｔｙｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｏｆｓｅａｄｉｋｅｄｅｓｉｇｎａｒｅｈｉｇｈｅｒａｎｄｈｉｇｈｅｒ.Ｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｓｅａｗａｌｌｗｉｔｈｈｉｇｈｅｒｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｌｅｖｅｌｏｆｇｒａｄｅ１ａｎｄ１００ｙｅａｒｓｏｒｍｏｒｅꎬｕｓｉｎｇｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｔｅｓｔｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｅａｗａｌｌｏｖｅｒｂｒｅａｋｉｎｇａｎｄｔｏｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅａｍｏｕｎｔｏｆｏｖｅｒｂｒｅａｋｉｎｇｉｓｏｆｇｒｅａｔｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅ.ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｅａｄｉｋｅｉｎＱｕａｎｚｈｏｕｃｉｔｙꎬＦｕｊｉａｎｐｒｏｖｉｎｃｅꎬｔｈｉｓｐａｐｅｒａｔｔｅｍｐｔｅｄｔｏｕｓｅｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｍｏｄｅｌＦｌｏｗ３Ｄｓｏｆｔｗａｒｅｔｏｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｏｖｅｒｔｏｐｐｉｎｇｄｉｓｃｈａｒｇｅｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｔｈｅｐｈｙｓｉｃａｌｍｏｄｅｌｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｔｈａｔｈａｄｂｅｅｎｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ.Ｔｈｅｒａｔｉｏｎａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｔｏｐｅｌｅｖａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｍｂａｎｋｍｅｎｔｗａｓａｎａｌｙｚｅｄａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｙｐｅｓｏｆａｒｍｏｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｗｅｒｅｃｏｍｐａｒｅｄ.Ｔｈｅｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｈａｓｇｒｅａｔｖａｌｕｅｉｎｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｗｉｌｌｐｒｏｖｉｄｅｓｏｍｅｒｅｆｅｒｅｎｃｅｖａｌｕｅｆｏｒｏｔｈｅｒｓｅａｗａｌｌｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｄｅｓｉｇｎｉｎｔｈｅｆｕｔｕｒｅ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｈｉｇｈｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｌｅｖｅｌꎻｓｅａｄｉｋｅꎻｏｖｅｒｔｏｐｐｉｎｇｄｉｓｃｈａｒｇｅꎻｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ。
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高和越浪进行了一系列的研究。
S a ville（19 5 5）[1]在水槽及水池中做了一系列有关波浪
爬高及越浪的 实验，在缩比模型实验的基 础上得到了估计波
浪最大 爬高及平均越 浪量的经验公 式；贺朝敖等 [2 ]做了一系
列的试验对带 胸墙的斜坡堤越浪量进行了 研究，讨论了堤前
波高，堤顶到 静水位的高度，平台宽度， 堤前水深，外侧坡
PRE SS UREINLET
计算域
WALL
消L
L
波A 区W
射波高 H0 为 1m ，Ca se 5 ~C a s e8 入射波高 H 0 为 2m 。
800
Ca s e 1
s)600
m·
3
/( m400
10
flux×200
600
) s ·4 0 0 (m 3m/ 0 1 ux×2 0 0 fl
p 为压强，μ为 粘性系数，Fx 和 F y 分别为附加的源项。
VOF 输运方程：
αq + t
(uαq ) + x
(w z
)
q
=
0 ，α1
+ α2
=
1，q=1 ，2
（4 ）
式中：体积分数函数 αq 定义为单元内第 q 相流体所占
有体积与该单元的体积之比。
2．数值水槽的验证
数 值水 槽中 通常 采用 推板 式造 波和 源造 波两 种造 波方
波浪水槽进行了简单斜坡堤断面波浪越浪量的计算模拟。
本文基于 F LUE NT 软件平台，采用了质量源造波法验证
了无护面块体 时的越浪情况，其中在有胸 墙条件下考虑了胸
墙高程和斜坡 坡度这两种因素对于越浪量 的影响，并与前人
的物模实验结果进行了对比，结果吻合良好。
一、数学模型
1．控制方程
二维情况下对 于自由面流动问题，液体是 不可压，流体
74
中国 水运
第 11 卷
3 0m ，水深 6 m 。图 2 给出了源造造波法下造波源右边界处 注：所有工况下的斜坡坡度都为 1 ：1 .5 。C a se 1 ~C a s e4 入
波面历时曲线的模拟结果。其中入射波波高为 1.2 5m ，周期 为 5 .32 s 。
Y
R T
造
E M
波
YM 区
S
方程，发展了适用于 VOF 方法的源造波-消波技术；张九山
（2 00 6）[4]也采用同样的源函数造波—消波方法，将多孔介
质模型作为耗 散源项添加到动量方程中， 对堤上不同位置铺
设异型块体时的越浪进行了数值模拟；刘亚男等（2 00 7）[5]
将造波方法进一步改进，采用解析松弛造波- 消波方法，将实
际计算得到的 流速和压强在每一时刻进行 更新，利用该数值
C2
1 2
ρv
vi
（7）
式中：右端为惯性损失项，C 2 为惯性阻力系数。
为了使 消波段既能完全消去波能，又 不至于使波浪刚传
入消波段即产生反射，本文对系数 C 2 进行随 x 坐标线性递增 的 处 理 ， 可 以 利 用 F LUE NT 中 的 UDF 宏
DE F INE _P RO FILE（n a m e ，th r e a d，in d ex）实现。
为了消 除波浪二次反射的影响，数值 模拟中适当加长了
水槽的长度，图 1 为本文采用的源造波法数值水槽示意图及
边界设置。水 槽长 度取 为 40 0m ，其中造波区 2 0 m ，消波区
收稿日期：2 01 1- 0 4- 20 作者简介：王 鹏（1 98 6- ），男，大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，硕士，从事海岸和近海工程研究。 基金项目：国家自然科学基金（5 0 9 2 1 0 0 1 ）和海岸和近海工程国家重点实验室开放基金资助。
影响，并和物模试验进行对比，拟合了坡度和胸墙墙高与越浪量的关系曲线，结果值吻合良好。
关键词：F LUE NT；造波；越浪；胸墙；坡度
中图分类号：P731. 2
文献标识码：A
文章编号：1006- 7973（2011）07- 0073- 03
波浪爬高和越 浪量是衡量防波堤和护岸工 程有效性和安
全性的一个重 要指标。近年来，国内外众 多学者对波浪的爬
的粘性系数是常数，
连续方程： u+ w=0 xz
（1）
动量方程：
uu
u 1p
2u
2u
+u + w = txz
+v ρx
+ x2
z2
+ Fx
（2 ）
w+u w +w w= g t xz
1 p+v ρz
2w + x2
2w z2
+ Fy
（3 ）
式中：ρ为流体密度，u 和 w 分别为 x 和 z 方向的速度，
式，本文将采用后者。
本文借鉴高学平等（2 00 2 ）[6 ]的源造波法，利用 F LUE NT
中的 UDF 宏 DE FINE _S OUR CE（n a m e ，c ，t ，d S ，equ ）
编程在 FLUENT 平台上实现。其源项等于生成波相应的水平
速度，造波时同时产生传播方向相反的两列波，源项采用（6 ）
第 11 卷 第 7 期 2011 年 7 月
中国水运 Chi na Wat er Tr a ns por t
Vol . 11 J ul y
No. 7 2011
基 于 FLUENT 的 海 堤 越 浪 数 值 模 拟
王 鹏，孙大鹏
（大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 1 1 6023）
摘 要：文中基于 F LUE NT 软件平台，采用 VOF 法、R NG k -ε的湍流模型，基于线性波理论，通过 F LUE NT 的
二次开发功能实现了质量源造波。验证了光滑坡面时的 越浪，包括无胸墙和有胸墙两种情况。无胸墙情况下与前人
的数值结果和物模结果各进行了对比。有胸墙的情况下 ，分别考虑了胸墙高程和斜坡坡度这两个因素对于越浪量的
式，为线性波。
q = 4 X 0ωsinh( kd ) cosh( k( z + d )) cos( kx
s
(sinh( 2kd ) + 2kd ) dx
ωt )
（6 ）
消波方 法采用多孔介质消波，它是一 种仿物理消波，即
在动量方 程右端添加一个动量衰减的源 项，忽略黏性阻力，
其源项表达式为：
Si =
度，护面块体糙渗系数等多种因素对越浪量的影响。
随着计算机技术发展，利用 C F D 技术建立数值波浪水槽
具有广泛的应用前景。基于 FLUENT 软件，国内近几年探讨
ห้องสมุดไป่ตู้
了不少关于其 造波与消波的方法，并且对 该数值波浪水槽如
何用于越浪模拟上也有一定的研究。周勤俊等（2 00 5）[3]利
用 F LUE NT 软件，将入射波波场作为人工的分布源加入动量