基于N-S方程的波浪--透水防波堤--海床相互作用的数值模拟及其物理模型试验研究

In the coastal and offshore engineering, the issue on the interaction among the wave-structures-seabed is very important. The damage of marine structures is divided into two types: The first type is the damage of the structures themselves, in which the wave directly acts on the structures, causing the loss of stability of the structures; the second type is the failure in bearing capacity of the foundation. The wave action on the marine structure foundation can be divided into two cases: Firstly, the wave force is propagated into the foundation soil body through the structures, so as to constitute a coupling interaction system of “wave-structures-foundation”; secondly, the circulating water pressure caused by the wave directly acts on the free field response produced on the seabed.. The interaction among wave, permeable breakwater and permeable seabed will be researched in this paper.. The control equations for wave field and porous flow area in the Porous breakwaters and Permeable Seabed are proposed based on N-S equations. The control equations are discrete and solved by finite-difference method, the free surface is tracked by VOF method and pressure field and velocity field of the whole flow area are solved by the reiterative redundancy method. Compared with the physical model test in the flume, the numerical simulation model established in this paper will be validated. Finally, the mechanism and influencing factors of the interaction among wave, permeable breakwater and permeable seabed will be analysed through numerical simulation and physical model tests.

海工结构物的破坏有两种形式：一是结构物本身的损坏，是由波浪直接作用在结构物上，导致结构物失稳；二是基础承载力失效，是由于在结构物周围海床的剪应力失效、冲刷和液化引起的，结果导致结构物整体倒坍。在海岸和近海工程中，开展波浪－结构物－海床的相互作用研究是具有重要的应用价值。. 本项目主要研究波浪、可渗透防波堤以及透水海床等三者之间的相互作用。. 本项研究中首先基于N-S方程提出波浪、透水防波堤及透水海床内部孔隙流的统一控制方程，应用有限差分方法对控制方程进行离散求解，采用VOF方法跟踪自由表面，迭代求解得到整个水域的波面过程、压力场及速度场；并结合波浪－透水防波堤－渗透海床的水槽物理模型试验，验证本文所建立数学模型的准确性；最后通过数值模拟及物理模型试验研究，分析波浪－透水防波堤－渗透海床三者之间相互作用的机理及其影响因子。

海工结构物的破坏有两种形式：一是结构物本身的损坏，由波浪直接作用在结构物上，导致结构物失稳；二是基础承载力的失效，是由结构物周围海床的剪应力失效、冲刷和液化引起的，导致结构物整体倒坍。在海岸和近海工程中，开展波浪—透水堤—海床的相互作用研究，研究可渗海床条件下波浪在近岸结构物附近的传播变形规律，对于保障沿海地区经济社会发展安全，具有重要的社会、环境和经济意义。.本项目主要研究波浪—透水堤—海床三者之间的相互作用。.首先基于理论推导的多孔介质相似准则，通过系列波浪水槽物理模型试验，对原型与模型的几何比尺和多孔介质粒径之比的关系进行修正，提出了一种可渗砂质海床“强层流、弱紊流”状态和透水堤多孔介质的实验室模拟方法，用于波浪作用下海床孔隙水压力和透水堤堤心压强原型值与模型值之间的换算。.在此模拟方法基础上，采用断面物理模型试验的方法，对规则波作用下，波浪—透水堤—海床三者之间的相互作用进行了研究，提出了透水潜堤、出水堤透射系数、出水堤堤心压强衰减系数以及海床内部孔隙水压力的经验计算公式。并分析了透水堤内部波面高度的变化规律。.最后，基于N-S方程，提出了波浪—透水堤—海床内部孔隙流的统一控制方程，采用有限差分法来实现控制方程的数值离散，采用VOF法处理波浪自由面，迭代求解得到整个水域的波面过程、压力场及速度场；并结合水槽物理模型试验，验证了所建立数学模型的准确性，分析了波浪—透水堤—海床三者之间相互作用的机理及其影响因子。