耦合算法在幕墙式消浪结构性能研究中-应用

1、耦合算法在幕墙式消浪结构性能研究中-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Navier stokes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

2、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2(curtain-walled dissipater)，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2

3、 耦合模型区域划分 2域内流动的控制方程采用色散性改进的Boussinesq方程4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，    2007-04-29        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

4、的格式4。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3。差分方程的求解采用了SOLA-VOF方法5。其基本思想是：首先用前一时刻的流场计算结果代入动量方程的显式差分格式，求出当前时刻流场的近似值；再通过对压力厨行迭代修正，使得连续方程在一定的精度条件下得以满足，对表面单元要求满足自由表面的动力学边界条件，即通过线性插值确定表面单元中心处的压力值；在完成压力迭代后，再对速度进行校正，然后用校正后的速度值代入k-方程相应的差分格式求解紊动动能和紊动动能耗散率；最后，应用施主与受主单元模型计算当

5、前时刻的流体体积函数，确定流体自由表面的位置。由于动量方程、紊动动能方程和紊动动能耗散率方程对近壁区网格细密程度的要求不同，耗散率方程的要求最严，动量方程和动能方程的要求基本一致，为了既保证解的精度而又不致使网格划分太密，本文在固壁区附近采用了壁面函数方法6进行处理。即在壁面附近引入以下关系B可利用1域得到的流场信息表达如下，(1)式中：u为水平速度，F为流体体积函数5，y为垂向的网格步长，j为垂向网格节点编号，Jmax表示垂向网格节点的最大编号。给B边界的波面赋予匹配条件时数值试验表明，需要利用连续方程反映的水位流量关系给出匹配条件其效果好于直接给定水位过程条件。这是因为通过水位和流量的相互

6、调整，计算域内的反射波可得以减弱。因而，在实际计算中B边界的波面可表示为    2007-04-29        耦合模型同步求解过程可简单概括如下。首先，考虑2域左边界处的入射波条件，在2域内执行Boussinesq模型，当2域中接近匹配边界的节点上的水平速度值第一次达到10-3m/s量级时，开始在1域内执行RANS-VOF模型。在某一时间步n,执行Boussinesq模型所需要的匹配边界B处的速度和波面条件按式(1)和式(2)给出；Boussinesq模型在当前时间步的

7、计算完成后，随即利用式(3)(5)计算出匹配边界V处的波面、速度和压力边界条件，并启动RANS-VOF模型；RANS-VOF模型在当前时间步的计算完成后，即按照式(1)和(2)计算出匹配边界B所在位置的速度和波面匹配条件。然后进入下一时间步的计算。     2 计算结果计算过程中观察到了消浪室内水体做整体升降振荡的现象。取消浪室平均水位变化的幅值(HT)与原入射波高(H)之比描述波浪在消浪室中被激励的情况。图6显示了波浪在消浪室中水面波动被放大的比率随消浪室相对宽度B/L变化的情况。可以看出，大约从B/L=0.12开始，消浪室中波浪的放大率随B

8、/L的增大而迅速减小的特点十分明显。这说明，在给定幕墙吃水深度(c=0.12m)和消浪室宽度(B=0.29m)的情况下，波长(L)相对较大的波浪经垂直幕墙透射到消浪室后引起的水体振荡幅度更大。图7显示了幕墙反射系数Cr随其相对吃水深度c/d变化的关系。当消浪室相对宽度B/L=0.12一定时，Cr随c/d    2007-04-29        变化，在c/d=0.5附近出现了最小值。图5 Cr-B/L关系 图7 Cr-c/d关系 对于幕墙反射系数为最小的情形(B/L=0.12，c/d=0.5)，图8显示了消浪室内的平均水位变化。从计算中可以看出，消浪室内水体的运动呈整体活塞式的运动。幕墙末端附近的复杂流态对