摘 要

幕墙式防波堤是基于透空式防波堤发展而来的一种新型防波堤。它由后直墙及没入一定水深的挡浪板组成，形成一个消浪室，使入射的波浪在其中获得消解，减小反射。

本文主要介绍了采用基于CFD的流体力学软件Fluent对幕墙式防波堤水动力特性的数值模拟，探究在不同的挡浪板入水深度下，幕墙式防波堤受力以及消浪的影响变化。试验采用多相流模型以及Realizable k-epslion模型，以VOF法对自由液面进行捕捉。空水槽数值造波验证采用推板造波以及阻尼消波，因本试验为测试挡浪板与直墙构成的消浪室的消浪性能，故，幕墙式防波堤的数值模拟过程中不设置消波区。试验将探究不同入水深度下挡浪板的受力特性、有无挡浪板的情况下直墙的波高变化以及在不同入水深度的挡浪板下直墙上距离底部43cm、45cm处的受力情况，并通过分析一个周期内挡浪板附近的流场特性来分析幕墙式防波堤的消浪机理。

本文通过分析上述的水动力特性参数，分析受力和波高的变化，选择较有代表的数值，探究在消浪室宽度B=0.29cm的情况下最合适的下垂板入水深度，对实际工程有着参考意义。

关键词：幕墙式防波堤，挡浪板，水动力特性，流场特性，数值模拟

Abstract

Curtain-wall breakwater is a new type of breakwater based on the development of permeable breakwater. It is composed of a vertical-wall and a manger board submerged in a certain depth of water. A wave chamber is formed, in which the incident wave is digested and the reflection is reduced.

This paper mainly introduces the numerical simulation of the hydrodynamic characteristics of the curtain-wall breakwater by using the CFD based fluid dynamics software FLUENT , and probes into the influence of the force and wave dissipation of the curtain-wall breakwater under the different water depth of the manger board. The multi-phase flow model and the realizable k-epslion model are adopted in this experiment.Free surface is captured by VOF method. Push plate wave making and damp wave elimination are adopted in the numerical wave making verification of empty water flume. Since this experiment is to test the wave elimination performance of wave chamber composed of manger board and straight wall, no wave elimination area is set in the numerical simulation of curtain-wall breakwater. The test will explore the mechanical characteristics of the manger board under different water depth, the wave height change of the vertical -wall with or without the manger board, and the mechanical changes at two points of 43cm and 45cm from the bottom of the vertical-wall under the manger board with different water depth, and analyze the wave dissipation mechanism of the curtain-wall breakwater by analyzing the flow field characteristics near the wave deflector within a period.

In this paper, by analyzing the above hydrodynamic parameters, analyzing the changes of stress and wave height, selecting a more representative value, and exploring the most appropriate depth of the sag plate into the water when the width of the wave chamber B = 0.29cm, it has reference significance for the actual project.

Key words: curtain-wall breakwater,manger board, hydrodynamic characteristics, flow field characteristics, numerical simulation

目录

第一章 绪论 1

1.1研究工作的背景以及意义 1

1.2国内外研究状况 3

1.3研究方案 4

1.4研究工作的主要内容 4

第二章 数学模型 6

2.1 软件的介绍 6

2.1.1 Fluent 6

2.1.2 Gambit 6

2.2 控制方程 6

2.3数值求解 7

2.3.1 VOF模型 7

2.3.2 Realizable k-epslion模型 7

2.3.3 求解算法 7

2.4 造波、消波方法 7

2.4.1 造波边界 7

2.4.2消波边界 9

2.4.3 数值验证 9

第三章 幕墙式防波堤的水动力特性模拟 13

3.1 数值水槽的参数及边界条件 13

3.1.1 数值水槽参数 13

3.2 试验设置及数值模拟 13

3.2.1 试验设置 13

3.2.2 后直墙消浪效果对比 14

3.2.3 后直墙两点出动压力对比 14

3.3挡浪板受力分析 20

第四章 流场特性分析 23

第五章 结论与展望 26

5.1结论 26

5.2展望 26

致谢 27

参考文献 28

第一章 绪论

1.1研究工作的背景以及意义

海洋面积巨大，覆盖地球表面的71%，是一座天然的大宝库，其资源多样，物种丰富，近年来，随着人类对海洋技术的不断发展，海洋已经成为人类资源获取的重要来源，有资料显示，世界石油极限储量为1万亿吨，其中储存在海底石油储量就达到1350亿吨，占总可采储量45%，其；世界的天然气储存量为250~280亿立方米，仅海洋储量就高达140亿立方米。可见，海洋资源的储备不容忽视，人类对海洋的勘探也必然由近海走向远海。因此，为了适应各项海洋工程的推进，作为海洋勘探起点的海岸水工建筑物也需要进一步的发展、革新，诸如码头、护岸以及防波堤等重要建筑物，其某些结构或者功能已不能满足现代海洋工程的需要，应该进行重新设计及优化。

防波（Breakwater）是一种水中建筑物，其位于港口前沿，能够，拦截波浪，保护港内水域，抵挡冰凌或漂流侵入，防止海岸线遭海浪侵蚀。同时，防波堤也起到平稳港内水面，控制港内水深、防止港池淤泥堆积，因此，防波堤的内侧也可兼具码头的作用，满足船舶进出港、停泊以及卸货的需要，是沿海人工掩护港口的重要组成部分。现代防波堤可分为传统防波堤和近年来研究开发的新型防波堤，传统防波堤包括斜坡式、直墙式两类：

1. 斜坡式

斜坡式防波堤是与水面有一定倾角，坝体斜向入水，断面两侧为斜面的一种防波堤，其主体由块体堆积组成，施工比较简单，也易于修复，并且此种防波堤对地基沉降不甚敏感，不易产生变形，因此其适用于水深较小、地基较软的环境。但也是由于其斜面的形式，堤内不能停靠船舶，无法兼具码头的作用。当波浪传播到斜坡堤坝体时。波浪将发生较为明显变形，并在斜坡上破碎，这会使斜坡受到局部集中的动水压力并产生底流，使斜堤的水下坡面出现向上的反压力。因此，为防止波浪冲蚀，堤外坡的材料常使用用天然大块石、人工混凝土方块等以保护坡面；堤身通常使用分层分级的块石体来构筑梯形断面；堤顶的高程需要评估波浪在防波堤护面上的上爬高度以及容许越波量后再确定。