规则波中复合式海堤越浪的数值模拟

摘要

海堤是常见的海岸防护工程结构，在淤泥质海岸，大多采用复合式海堤形式。在工程设计中，传统上通过波浪水槽断面实验确定设计断面的越浪量，为海堤断面的优化设计提供依据。研究达到工程实用水平的数值波浪水池是国际海岸与近海工程界关注的热点，近年来得到迅速发展。本文基于FLUENT商业化软件，以RANS方程为控制方程，基于有限体积法，采用k-epsilon湍流模型，运用一种“解析松弛”方法实现了适用于VOF方法的数值源造波技术。通过对行波及驻波的计算，分别验证了造波机前端及水槽末端消波段的有效性。 本文在该数值波浪水槽中对规则波在不可渗透简单斜坡堤上越浪过程进行了数值模拟，将越浪量计算值同物理实验结果及Hu等(2000)基于非线性浅水方程的数值结果进行了比对。结果表明：本数值模型能够较好地复演海堤越浪过程，同基于非线性浅水方程的数值结果相比，能更有效地模拟含有强烈卷吸、射流和破碎的海堤越浪问题。 离岸式潜堤是复合式海堤的一个组成部分，能使波浪在堤前破碎，削弱波能，减少波浪对其后主堤的冲击作用。在数值水槽内模拟了具有离岸式潜堤的复合式海堤断面的越浪过程。给出了潜堤与主堤的间距、来波波高对主堤越浪量的影响。计算结果得到了物理实验的印证，分析发现：1)波浪在潜堤处的破碎是影响主堤越浪量的一个重要因素；2)潜堤与主堤的间距对主堤越浪量有显著的影响，当潜堤与主堤堤脚的间距约为来波波长的1/2时，主堤上将出现较大的越浪量；3)主堤越浪量随着来波波高的增大而增加。