数值波浪水槽中的斜坡式孔隙结构规则波消波研究
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性波及 随机 波浪 消波效果 一般 ， 特别 是在 波浪 与结构物
平板 消波结 构 在给定 的水 深和板 长情况 下 ， 在一 个最 存 优 的设 计参 数组 合 ， 得 对 于 各种 波浪 条 件下 ， 构 的 使 结 消波 效果都 能达 到最 佳 ， 发现具 有一 定倾斜 角 的孔 隙 且
中图 分 类 号 ： Ｖ ３ ． ５ Ｔ １９２
文 献 标识 码 ： Ｂ
文 章 编 号 ：０ ８— ｌ２ ２ １ ）０— ０ ３— ４ １０ ０ ｌ（０ ０ １ ０ ４ ０
前 言
最优 的受 孔隙 结构材 料及 形状影 响 的参 数 ， 使得 反射达 到 最小 。Ｋ ｒ 等 基 于不可 压 缩粘 性 流体 运 动 理论 ， ａｉ ｍ 对波 浪通 过垂 直孔 隙结 构 的传 播 变 形 问题 进 行 了数 值 模拟 ， 发现 结构 的宽度 和孔 隙率 是控制 波浪 反射 的主要
由于波浪遇 孔 隙结构会 发生反 射 ， 同时水 流在结 构 内剧烈紊 动 ， 能耗 散 ， 高衰 减 。这 些 变 化 与入 射 波 波 波 条 件 、 隙结构 尺寸 、 料属 性 、 隙率 大 小 等都 有 关 。 孔 材 孔 Ｚ ｕ和 Ｃ ｗ ｎ 基于 不可压 缩 无粘 流 的势 流 理论 探 讨 ｈ ｈ ａｇ 了影 响抛石 基床上 沉 箱 型孔 隙 结构 消 波 效果 的相 关 参
在孔 隙介质 中会 发生 大量 的紊动 ， 选用 了由雷诺数 决定 的拖 曳 系数计算 方法 ， ： 即
１ 水 流在孔 隙 介质 中运动 的控制 方程 Ｆｏ ３ ｌ Ｄ将 连续 性方 程和不 可压 缩 粘性 流 体运 动 的 ｗ Ｎ ｖｅ —Ｓｏ ｅ 方 程作 为流体 运 动的控 制 方程 。 为 了描 ａｉ ｒ ｔｋｓ
述 孔隙介 质 中的水 流流动 ， Ｎ—Ｓ方程 右端 加 人 一个 在 表 示孔 隙结 构对水 流 阻力作 用 的拖 曳力 项 一Ｆ ｕ Ｆ 被 ，
度 的孔 隙结 构较 垂直 或水平 的孑 隙结构 消波效 果更好 ， Ｌ
用 孔隙结 构作 消波设施 是 物理水 槽 中常见 的做法 。 在物理模 型 中 ， 隙结构 的孑 隙率 、 径形状 、 径大小 孔 Ｌ 粒 粒 等参数 都受到 实际 材料属性 的限定 ， 消波效果 不一 定能 达 到最佳 ， 而在 数值 模 拟 中材 料 不 受 限制 。因此 ， 数 在 模 中探讨 如何设 置孔 隙结构 参数 、 结构 形状 尺寸使 消波 效 果达 到最佳 ， 相对 物理模 型而 言更加 简便 易行 。
平板 比水平 板 的消波 效果更 好 。
作用后 ， 浪发生强 烈 的 变形 ， 开 边 界处 应 用 此 条件 波 在 较 为困难 ， Ｓ ｍ ｒ ｌ 件 与 其 它 消 波 方 式 结 合 使 将 ｏ ｍｅ ｅｄ条 ｆ
用成 为近年来 的发 展趋势 。
本文综 合考 虑前 人研究 成果认 为 ， 具有一定 倾斜 角
波浪反射 系数 ， 定量分析影响孔 隙结构消波效果的参数 ， 到最优 参数组合 。经验证 ， 得 数值 波浪水槽 中具备最优 消波参数
组合的斜坡孔 隙结构结合 Ｓｍｍ ｒ ｌ ｏ ｅｆｄ条件对 于规则波具有较好的 消波效果。 ｅ
关 键 词 ： 值 波浪 水 槽 ； 坡 式 孔 隙结 构 ； 波 ； 则 波 数 斜 消 规
因素 。Ｃ ｏ和 Ｋ ｍ 基 于 势 流 理论 认 为对 于 水 下 孔 隙 ｈ ｉ
在数值 波浪 水槽 中 ， 当造 波端 产生 的入射 波传播 至
水槽 的 出流 边界 时 ， 如何 将波 浪最大 程度 地消 去是实 现
较 长时问波 浪准确 模 拟 的关 键 。 目前 常用 的消 波 方 法 主要 有辐射 边界 条件 、 绵层 、 海 海绵 层 与 其 他边 界 条 件 耦 合消波方 法 以及孑 隙 结构 消 波 等 。辐射 边 界 条 件 中 Ｌ Ｓ ｍ ｅｆ ｄ条件适 合小振 幅线 性波 的消 除 … ， ｏ ｍｒｌ ｅ 但对 非线
称 为孔 隙结构 的拖 曳系数 ， ｕ为流 速 。为确 定拖 曳 力 系 数 ， 本文选 用 了饱 和渗 流 模 型 。考 虑 到 波 浪水 质 点
数 ， 为水 域反射 系数 与 入射 波 要 素 、Ｌ 认 孑 隙板 后 水 域 宽 度、 板前后 水深之 比以及 抛石 基床 坡 度有 关 ， 在 一 个 存
第１ ０期 ２１ ０ ０年 １ ０月
广 东 水 利 水 电
ＧＵＡＮＧＤ０ＮＧ ＡＴＥＲ Ｗ ＲＥＳ ０ＵＲＣＥＳ ＡＮＤ ＹＤＲ０Ｐ０Ｗ ＥＲ Ｈ
Ｎｏ Ｏ ．１
０ｃ ． １ ｔ２０ ０
数值 波 浪 水槽 中 的斜 坡 式 孔隙 结 构 规 则 波 消波 研 究
张 婷 ， 张庆 河 韩 涛 ，
３０２ ） ０ ２ ２
（ ．广 东省水利 水 电科 学研 究院 ， 东省水 动 力学应 用研 究重点 实验 室 ， 东 广州 ５ ０ １ ； １ 广 广 １６ ０
２ ．天津 大学建 筑工程 学 院， 津 ３ ０ ７ ３ 天 ０ ０ ２； ．中交天 津港 湾工程研 究 院有 限公 司 ， 天津
摘
要 ： 于 Ｆｏ ３ 的 有 限 差分 求解 程 序 、 Ｎ Ｋ８模 型 、 Ｏ 自由表 面 跟 踪 法 建 立 了二 维数 值 波 浪 水槽 模 型 ， 型 开 边界 基 ｌ Ｄ ｗ Ｒ Ｇ一 ＶＦ 模
处 采 用斜 坡 式孔 隙 结构 结合 Ｓｍｍ ｒ ｌ 射 边 界 条 件 对 波 浪 进 行 吸 收 处理 。通 过 采 用入 反 射 波 分 离方 法 ， 到 水 槽 中 的 ｏ ｅｅ ｆ ｄ辐 得
因此本 文选 用 了形式 简 单且 在 数 值计 算 中容 易 实现 的 斜 坡式 孑 隙结构 同 时结 合 Ｓ ｍ ｒ ｌ 射 边 界条 件 作 Ｌ ｏ ｍｅ ｅｄ辐 ｆ 消波设施 ， Βιβλιοθήκη Baidu过设 置 多 个算 例 ， 并 探讨 影 响斜 坡 式 孔 隙 结 构消 波效 果 的参 数组合 。
平板 消波结 构 在给定 的水 深和板 长情况 下 ， 在一 个最 存 优 的设 计参 数组 合 ， 得 对 于 各种 波浪 条 件下 ， 构 的 使 结 消波 效果都 能达 到最 佳 ， 发现具 有一 定倾斜 角 的孔 隙 且
中图 分 类 号 ： Ｖ ３ ． ５ Ｔ １９２
文 献 标识 码 ： Ｂ
文 章 编 号 ：０ ８— ｌ２ ２ １ ）０— ０ ３— ４ １０ ０ ｌ（０ ０ １ ０ ４ ０
前 言
最优 的受 孔隙 结构材 料及 形状影 响 的参 数 ， 使得 反射达 到 最小 。Ｋ ｒ 等 基 于不可 压 缩粘 性 流体 运 动 理论 ， ａｉ ｍ 对波 浪通 过垂 直孔 隙结 构 的传 播 变 形 问题 进 行 了数 值 模拟 ， 发现 结构 的宽度 和孔 隙率 是控制 波浪 反射 的主要
由于波浪遇 孔 隙结构会 发生反 射 ， 同时水 流在结 构 内剧烈紊 动 ， 能耗 散 ， 高衰 减 。这 些 变 化 与入 射 波 波 波 条 件 、 隙结构 尺寸 、 料属 性 、 隙率 大 小 等都 有 关 。 孔 材 孔 Ｚ ｕ和 Ｃ ｗ ｎ 基于 不可压 缩 无粘 流 的势 流 理论 探 讨 ｈ ｈ ａｇ 了影 响抛石 基床上 沉 箱 型孔 隙 结构 消 波 效果 的相 关 参
在孔 隙介质 中会 发生 大量 的紊动 ， 选用 了由雷诺数 决定 的拖 曳 系数计算 方法 ， ： 即
１ 水 流在孔 隙 介质 中运动 的控制 方程 Ｆｏ ３ ｌ Ｄ将 连续 性方 程和不 可压 缩 粘性 流 体运 动 的 ｗ Ｎ ｖｅ —Ｓｏ ｅ 方 程作 为流体 运 动的控 制 方程 。 为 了描 ａｉ ｒ ｔｋｓ
述 孔隙介 质 中的水 流流动 ， Ｎ—Ｓ方程 右端 加 人 一个 在 表 示孔 隙结 构对水 流 阻力作 用 的拖 曳力 项 一Ｆ ｕ Ｆ 被 ，
度 的孔 隙结 构较 垂直 或水平 的孑 隙结构 消波效 果更好 ， Ｌ
用 孔隙结 构作 消波设施 是 物理水 槽 中常见 的做法 。 在物理模 型 中 ， 隙结构 的孑 隙率 、 径形状 、 径大小 孔 Ｌ 粒 粒 等参数 都受到 实际 材料属性 的限定 ， 消波效果 不一 定能 达 到最佳 ， 而在 数值 模 拟 中材 料 不 受 限制 。因此 ， 数 在 模 中探讨 如何设 置孔 隙结构 参数 、 结构 形状 尺寸使 消波 效 果达 到最佳 ， 相对 物理模 型而 言更加 简便 易行 。
平板 比水平 板 的消波 效果更 好 。
作用后 ， 浪发生强 烈 的 变形 ， 开 边 界处 应 用 此 条件 波 在 较 为困难 ， Ｓ ｍ ｒ ｌ 件 与 其 它 消 波 方 式 结 合 使 将 ｏ ｍｅ ｅｄ条 ｆ
用成 为近年来 的发 展趋势 。
本文综 合考 虑前 人研究 成果认 为 ， 具有一定 倾斜 角
波浪反射 系数 ， 定量分析影响孔 隙结构消波效果的参数 ， 到最优 参数组合 。经验证 ， 得 数值 波浪水槽 中具备最优 消波参数
组合的斜坡孔 隙结构结合 Ｓｍｍ ｒ ｌ ｏ ｅｆｄ条件对 于规则波具有较好的 消波效果。 ｅ
关 键 词 ： 值 波浪 水 槽 ； 坡 式 孔 隙结 构 ； 波 ； 则 波 数 斜 消 规
因素 。Ｃ ｏ和 Ｋ ｍ 基 于 势 流 理论 认 为对 于 水 下 孔 隙 ｈ ｉ
在数值 波浪 水槽 中 ， 当造 波端 产生 的入射 波传播 至
水槽 的 出流 边界 时 ， 如何 将波 浪最大 程度 地消 去是实 现
较 长时问波 浪准确 模 拟 的关 键 。 目前 常用 的消 波 方 法 主要 有辐射 边界 条件 、 绵层 、 海 海绵 层 与 其 他边 界 条 件 耦 合消波方 法 以及孑 隙 结构 消 波 等 。辐射 边 界 条 件 中 Ｌ Ｓ ｍ ｅｆ ｄ条件适 合小振 幅线 性波 的消 除 … ， ｏ ｍｒｌ ｅ 但对 非线
称 为孔 隙结构 的拖 曳系数 ， ｕ为流 速 。为确 定拖 曳 力 系 数 ， 本文选 用 了饱 和渗 流 模 型 。考 虑 到 波 浪水 质 点
数 ， 为水 域反射 系数 与 入射 波 要 素 、Ｌ 认 孑 隙板 后 水 域 宽 度、 板前后 水深之 比以及 抛石 基床 坡 度有 关 ， 在 一 个 存
第１ ０期 ２１ ０ ０年 １ ０月
广 东 水 利 水 电
ＧＵＡＮＧＤ０ＮＧ ＡＴＥＲ Ｗ ＲＥＳ ０ＵＲＣＥＳ ＡＮＤ ＹＤＲ０Ｐ０Ｗ ＥＲ Ｈ
Ｎｏ Ｏ ．１
０ｃ ． １ ｔ２０ ０
数值 波 浪 水槽 中 的斜 坡 式 孔隙 结 构 规 则 波 消波 研 究
张 婷 ， 张庆 河 韩 涛 ，
３０２ ） ０ ２ ２
（ ．广 东省水利 水 电科 学研 究院 ， 东省水 动 力学应 用研 究重点 实验 室 ， 东 广州 ５ ０ １ ； １ 广 广 １６ ０
２ ．天津 大学建 筑工程 学 院， 津 ３ ０ ７ ３ 天 ０ ０ ２； ．中交天 津港 湾工程研 究 院有 限公 司 ， 天津
摘
要 ： 于 Ｆｏ ３ 的 有 限 差分 求解 程 序 、 Ｎ Ｋ８模 型 、 Ｏ 自由表 面 跟 踪 法 建 立 了二 维数 值 波 浪 水槽 模 型 ， 型 开 边界 基 ｌ Ｄ ｗ Ｒ Ｇ一 ＶＦ 模
处 采 用斜 坡 式孔 隙 结构 结合 Ｓｍｍ ｒ ｌ 射 边 界 条 件 对 波 浪 进 行 吸 收 处理 。通 过 采 用入 反 射 波 分 离方 法 ， 到 水 槽 中 的 ｏ ｅｅ ｆ ｄ辐 得
因此本 文选 用 了形式 简 单且 在 数 值计 算 中容 易 实现 的 斜 坡式 孑 隙结构 同 时结 合 Ｓ ｍ ｒ ｌ 射 边 界条 件 作 Ｌ ｏ ｍｅ ｅｄ辐 ｆ 消波设施 ， Βιβλιοθήκη Baidu过设 置 多 个算 例 ， 并 探讨 影 响斜 坡 式 孔 隙 结 构消 波效 果 的参 数组合 。