波、流与直立式结构物相互作用的三维模拟研究

In this study, the capability of a self-developed three-dimensional non-hydrostatic model in simulating wave-current interacting with vertical structures will be firstly verified by comparison with experimental data. Then, numerical simulations of a vertical circular cylinder under wave, current only and combination of them will be carried out, respectively. The amplified phenomena of the bed shear stress will be analyzed in these simulations. Comparisons between numerical results of current-cylinder interaction and combined wave-current interacting with cylinder will also be conducted. The influences of the presence of wave on both the strength and frequency of vortex shedding formed at the lee side of the vertical structure and the amplified phenomena of bed shear stress near the vertical structure will be revealed, in the case of combined wave-current interacting with circular cylinder. Meanwhile, the influence of neglecting the vortex shedding on the force acting on vertical cylinder will also be analyzed. Finally, in the condition of combined wave-current, the influences of the change of KC number on the strength and frequency of vortex shedding formed at the lee side of the vertical structure and the amplified phenomena of bed shear stress near the vertical structure will be revealed. Under the same conditions of Re and KC number, the influences of different cross-sections on both the strength and frequency of vortex shedding and the amplified phenomena of bed shear stress will also be analyzed. The research findings can lay the foundation for the design of vertical marine structures and scour protection around them.

本项目首先通过与试验数据对比验证课题组已建立的三维非静压模型具备模拟波、流与直立式结构物相互作用的能力。然后，通过波、流单独存在时以及二者共存时与直立圆柱相互作用的模拟，分析直立圆柱底部剪切应力的放大现象，并且通过对比波、流共同作用下和均匀流单独作用下的模拟结果，揭示在波、流共存时，波浪的存在对直立式结构物尾部旋涡脱落的强度和频率的影响，以及对其底部剪切应力放大现象的影响。同时，也对波、流共存时，忽略直立式结构物尾部旋涡脱落现象对其所受作用力的影响进行分析。最后，研究还将揭示波、流共存时KC数的变化对直立式结构物尾部旋涡脱落的强度和频率的影响以及对其附近底部剪切应力放大现象的影响；分析在绕流特征雷诺数Re和KC数相同时，直立式结构物不同的横截面形状对结构物尾部旋涡脱落的强度和频率以及对其底部剪切应力放大现象的影响。研究成果可以为直立式海洋结构物的设计以及其附近床面的冲刷保护提供依据。

本项目采用建立的三维非静压模型对波、流与直立式结构物的相互作用进行了模拟研究，主要包括波、流共同作用下与直立圆柱和直立方柱的模拟以及规则波单独作用下与直立圆柱相互作用的模拟，同时为了对比分析还对均匀流单独作用下与直立圆柱的相互作用进行了模拟研究。相对于常应用于模拟波、流共存时与结构物相互作用的势流模型，本研究所采用的三维非静压模型可以更加准确有效地模拟波、流共同作用下与结构物的相互作用，尤其是直立式结构物，在波、流的共同作用下，其尾部往往会产生旋涡脱落现象，而势流模型是一类基于无旋假设的模型，无法模拟出旋涡脱落这一现象。研究中，首先，通过与试验数据对比，验证课题组已建立的三维非静压模型具备模拟波、流与直立式结构物相互作用的能力，包括模拟规则波、均匀流单独作用下与直立式结构物相互作用的能力，以及二者共同作用下与直立式结构物相互作用的能力。然后，对波、流单独存在时以及二者共存时与直立圆柱的相互作用进行了模拟研究。研究发现，波浪的存在增强了圆柱尾部旋涡脱落的强度，降低了圆柱尾部旋涡脱落的频率。忽略旋涡脱落现象会导致明显低估圆柱在x轴方向所受作用力。波浪的存在会较为明显地增强圆柱附近底部的剪切应力，但是对最大剪切应力出现的位置几乎没有影响。最后，对同向规则波、均匀流共存的条件下与直立方柱的相互作用进行了模拟研究。研究发现随着KC数的增大，方柱尾部旋涡脱落的强度增加，频率减小。随着KC数的增大，方柱附近底部最大剪切应力的位置几乎没有变化，最大剪切应力的值稍有增加。研究还通过对比在绕流特征雷诺数Re和KC数相同时，波、流共存时与直立圆柱和直立方柱相互作用的模拟结果，发现方柱尾部旋涡脱落的强度和频率都要比圆柱的小。方柱和圆柱附近底部最大剪切应力的位置明显不同，方柱附近底部最大剪切应力稍大于圆柱。研究成果可以为直立式海洋结构物的设计以及其附近床面的冲刷保护提供依据。