波流作用下孤立式建筑物周围局部冲刷研究

Local scour around the isolated structures under waves and currents is an important topic related with the safety of the strucutre foundation. By using a super wave flume, research work will be carried out for the flow properties around the structure, such as the development of the vortices and the shear stress on the bottom. The differences between the morphology of the scour pit and its developing process of non-cohesive and cohesive sediment will be compared and analyzed. The effect of sand waves on the scour pit will be observed. By comparison of the data from flumes of normal scale with those by super wave flume, some typical formulea of scour depth will be examined in terms of the differences between the two types of flume with different scales and the reason to account for that. Revision for the formula may be performed. A spatially-adaptive 3D numerical fluid model will be developed for flow around isolated structures by waves and currents, based on which simulation of flow around the isolated structures and iside the scour pit will be performend.A scour module will be developed and added to the numerical model after the study on the available theoretical achievements of the mechanism about non-cohesive and cohesive sediment movement. By using the numerical model, predition of scour morphology and depth under waves and currents will be conducted by varying the KC number for validation of the model. By analyzing the scour mechanism for typical cases of practical application, protection measures will be proposed.

波流作用下孤立式建筑物基础的局部冲刷问题是关系到结构基础安全的重要课题。拟通过超大型波浪水槽实验，探讨波浪作用下建筑物周围及床面的流场特性，对比分析黏性沙和无黏性沙床面冲刷坑形态及发展过程的差异，观测沙波对冲刷坑的影响。搜集常规水槽试验及现场冲刷深度实测资料，分析其与超大水槽试验结果的差异及造成差异的原因，在此基础上对以往冲刷深度计算公式进行检讨和修正。开发波流共同作用下孤立建筑物周围水流运动数值模型，藉此开展对建筑物周围及冲刷坑内三维流场特征的数值模拟；进一步通过研究已有黏性和无黏性泥沙运动的理论成果，开发波流共同作用下的冲刷模型计算模块，藉此研究不同KC数下孤立建筑物周围的冲刷坑形态及冲刷坑深度发展过程。针对实际工程的典型情况，分析冲刷机理，提出相应的防冲措施。

利用2014起动的国家自然科学基金面上项目（批准号：51379143），开展了波流作用下桩柱周围局部冲刷研究。取得以下主要成果：（1）开发了基于自适应网格的三维CFD模型，建立了数值波浪水槽，模拟了桩柱周围的流场，模型特色在于大大提高了追踪自由界面的精度。（2）开发了基于三角网格有限体积法的二维水流数学模型，模型采用高精度界面通量计算格式，可以高精度捕捉间断，提出了群桩阻力及等效水深计算公式，解决了运用数值模型进行水流计算中群桩的概化问题；提出了淹没度概念，实现了动边界连续模拟。（3）提出了基于ISPH方法的局部冲刷数值模型，通过提出浑水粒子及泥沙起动概念，初步实现了从泥沙粒子转化为浑水粒子的过程，解决了泥沙以悬沙形式运动情况下的冲刷过程模拟方法问题；泥沙起动条件计算中还考虑了底面坡度的影响。（4）针对Lin and Huang的四点法波浪入反射分离的方法仅适用于弱非线性波浪的情况，提出了一种适用于浅水强非线性入反射分离的方法。对于方法中一阶谐波的波数、振幅及相位角用非线性最小二乘法进行迭代计算；对于高阶谐波，其自由和约束波的波数分别采用线性色散关系及一阶谐波波数的倍数计算，其它未未知数用最小二乘法计算；采用自相关函数确定基本波周期。方法的效率和精度通过数值算例进行了展示，表明所提出的方法鲁棒性很好，且对于白噪不敏感，与Lin and Huang的方法相比无需借助非线性色色散关系确定波数。最后还将方法拓展到斜向入射情况。（5）运用FLOW3D软件模拟了圆柱周围局部冲刷过程，重点讨论了柱后尾涡频率与柱体直径以及冲刷深度的相关性。（6）开展了大水槽试验，研究了波流作用下圆柱周围局部冲刷过程，主要成果是从动力学和圆柱直径方面均突破了以往的试验尺度。（7）开展了水流作用下沙波发展过程研究，主要发现是在采用周期性边界条件情况下，只要计算区域尺度足够长，则可以得到与物理本质一致的沙波长度结果。