耦合算法在幕墙式消浪结构性能研究中的应用..doc

耦合算法在幕墙式消浪结构性能研究中的应用            摘要作者针对近岸波浪与结构物相互作用问题提出了一种耦合数值方法,即用时均化的二维雷诺平均的Navierstokes方程-流体体积法模型表达内域流动,用一维Boussinesq方程表达外域流动,通过速度、压力和波面匹配边界条件实现两种数值模型的同步求解。耦合模型中的二维子模型能够较好地表达结构物附近流动的细部特征,包括漩涡结构;一维子模型的计算效率很高,可通过延长其计算域以达到有效地避免二次反射波的影响。所建立的耦合数值模型被证实可应用于幕墙式消浪结构防波性能的研究。关键词幕墙式消浪结构耦合数值方法VOF方法Boussinesq方程以往的研究成果表明,迎浪面开孔的沉箱直立堤可以有效地减小反射波,但消浪室的宽度(即开孔前墙和不透水后墙之间的宽度)一般应达到当地波长的四分之一[1]。如果入射波为涌浪或者其他类型的长波,这意味着理想的消浪室宽度在实际工程上可能无法实现。最近,日本学者提出了一种能有效消减直立堤前反射波的新型结构——幕墙式消浪结构(curtain-walleddissipater),其断面如图1所示。设在直立墙前的垂直屏障称为幕墙。幕墙至直立墙的距离B为消浪室的宽度。图1幕墙式消浪结构幕墙吃水深度用c表示。由于入射波引起的消浪室内水体振荡运动和幕墙下面的涡旋运动使得波能大量耗散,从而实现消减反射波浪的目的。这种新型消浪结构的主要优点是能够有效地减小消浪室的设计宽度。数值模拟是揭示幕墙式消浪结构水力学性能和消浪机理的有效手段。由于在幕墙和直立墙处产生的反射波在造波边界处可能形成二次反射,通常的方法需要在二次反射波传播到结构物之前停止计算。这意味着计算域的长度必须足够大。然而,在一个很长的立面二维计算域上全部采用粘流波浪数值模型做精细模拟一方面计算工作量很大,另一方面必要性也不充分。为此,本文提出了一个耦合求解策略,即将二维RANS-VOF模型与一维Boussinesq方程模型耦合起来解决问题。在耦合模型中,一维子模型由于其计算效率很高,可以考虑足够长的计算域;二维子模型则能够较好地反映流场的细部,包括粘性对流动的影响。1耦合模型的原理如图2所示,耦合模型是将整个计算域Ω划分为Ω1和Ω2两个子域。这两个子域通过一条公共的重叠带衔接起来。Ω1为包含幕墙和直立墙的近场,流动以二维紊流运动方程,即Reynolds方程(RANS)为控制方程,采用标准k-ε紊流模型封闭,并在近壁区应用壁面函数理论;自由水面的描述采用定义流体体积函数的方法。图2耦合模型区域划分Ω2域内流动的控制方程采用色散性改进的Boussinesq方程的一维形式,经差分离散后得到系数矩阵为三对角矩阵形式的代数方程组,采用追赶法快速求解。在耦合模型中,两个子模型RANS和Boussinesq各自独立求解,耦合的实现体现在重叠带上流动信息的匹配。为了便于耦合处理,Boussinesq方程和RANS方程均采用交错网格进行差分离散。其中,Boussinesq方程的离散参考了Madsen和Sorensen所用的格式。RANS动量方程中时间项的离散格式为向前差分,粘性项的离散格式为二阶中心差分。为消除数值粘性的影响,动量方程中对流项的离散格式采用了三阶迎风差分格式。差分方程的求解采用了SOLA-VOF方法。其基本思想是:首先用前一时刻的流