管袋坝的波浪受力分析

管袋坝的波浪受力分析

1试验研究的意义填充管袋技术广泛应用于海岸保护和海岸建设的领域。在河口和沿海地区,潮汐和海浪作用频繁,波浪是管袋筑坝的最主要外界荷载,直接影响结构的稳定。工程中管袋筑坝多采用工程经验,而理论试验研究则较少。林刚等采用试验手段对不同边界条件下管袋的受力情况进行了研究和分析,可为实际工程管袋堤坝的选型设计和稳定校核提供参考。本文采用流体动力学计算商业软件FLUENT,生成二维数值波浪,在数值水槽中模拟试验条件下的波浪和管袋坝的相互作用,研究管袋坝的受力大小变化情况,以期探究管袋坝在波浪作用下受力影响因素,为工程实际提供一定的依据。2波陡模型及波速模型本文通过建立数值水槽的方式代替物理试验水槽,按照1∶1比例建立二维水槽模型,以模拟真实情况下的波浪与管袋相互作用,消除比尺效应对试验结果产生的影响。建立网格模型时,参照工程上常用的坝坡坡率,管袋堤坝坝坡坡率设定为1.2、1.5、2.0、2.5。试验采用浅水波理论,浅水波波陡通常介于1/15和1/20之间,因此试验选取三组不同的波陡进行模拟,分别为1/15、1/18、1/20。在FLUENT中采用计算效率较高、模拟较为精确的源造波方法进行造波,在相同坡率的每组试验中,通过定义不同的波高参数设定不同的坝前水深,通过调整波浪周期可得到不同的波长及相应的波陡,实现不同工况的模拟。波周期和波长的关系为:式中,L为波长;g为重力加速度,取9.8N/kg;T为波浪周期;d为坝前水深。通过FLUENT命令菜单设置Monitor下的Force命令,可监控水槽模型斜面上的总压力随时间的变化,从而计算管袋坝面在不同波浪要素作用下的总体受力情况。迭代计算从波浪生成到波浪传播至坝前达到稳定状态,取其稳定峰值的均值作为最大作用力,以探求不同坡率、波高、波陡因素对其影响。试验中采用的波陡、水深、波高及周期见表1。3波特性的生成3.1数值连锁物的干扰运用FLUENT前处理网格剖分软件Gambit建立二维网格模型,水槽分为造波区、前端消波区、工作区和末端消波区,前端消波区以吸收管袋坝结构存在引起的反射波,防止数值水槽前端壁面引起二次反射;末端消波区用来吸收工作区传来的投射波,防止在末端壁面发生反射波干扰。数值水槽示意图和划分后的网格见图1、2。水槽总长800.0m,高15.0m,其中造波区长50.0m,前端消波区长50.0m,末端消波区长100.0m,平均单元高度0.6m,在自由水面附近对网格进行局部加密,以便更精确地模拟自由液面。3.2流场初始速度左边界取对称边界条件,上边界取为压力出口边界条件,底边界和右边界均为固壁边界条件,初始条件为流场中的初始速度均为0。利用UDF自定义函数对造波区、前端消波区、末端消波区分别添加附加动量源项,以实现造波区和消波区的造波、消波功能。3.3vof和自由面在动量方程中,压力速度耦合方式采用PISO算法,时间项采用一阶隐格式插分算法,对流和扩散项采用一阶迎风插分格式算法。在VOF方法中,自由面采用几何重构法。时间步长取为0.005,迭代次数为16000。3.4网格划分及波高沿程衰减的影响在每一组坡率的试验中,波浪的波高H取2.55、2.85、3.14m三种情况分别进行模拟计算,每种波高对应两组不同周期,通过改变自由水面的高度模拟不同水深条件下的波浪形态及管袋坝的受力。通过模拟得到了相应的波面图,坡率1.2、波高2.55m、周期7.26s、水深6.65m的波面示意图见图3。由图3可看出,波面形状呈现较为规则余弦波浪,用源造波法造波形态较为理想,波高沿程会出现一定程度的衰减,在经历八到十个波峰之后波高逐渐趋于稳定。波高的衰减有多方面因素,在物理试验水槽中也会出现类似的波高沿程衰减情况,其原因为:(1)液体的粘性作用及液体和边界作用的能量损耗,会使能量在沿程传递过程中有一定损失,波高因而会相应减小;(2)CFD中微分方程的离散化会产生一定截断误差,离散后的方程相当于一个新的微分方程,对比原微分方程多出一个高阶偏导项,即数值耗散或人工粘性,也会导致相应的波高沿程衰减。为了尽量减小数值耗散的影响,计算采用合理的划分网格削弱数值耗散,在自由液面处加密网格,据文献,波形的准确描述对垂向网格的划分要求较高,而对横向的网格划分要求较低,且横向和垂向网格的长度/高度比应视波陡而定,不能相差太大,否则在VOF法通过网格的波面形状几何重建过程中,单元内的液体/气体体积比不准确。对计算的周期和波长结果进行统计,与理论值进行对比,见表2(仅列出坡率1.2结果)。由表2可看出,实际周期与理论值误差较小,较为接近理论值,说明实际模拟的数值波浪要素可作为管袋受力的外部边界条件。4结论分析4.1管袋所受波浪力m假设不同坡率下管袋坝受力大小和波陡大小之间满足关系式F=a(H/L)b,按照最小二乘法曲线拟合方式求出对应的a、b最小二乘解,得:式中,F为管袋所受波浪力;m为坝坡坡率。由式(2)可看出,函数关系式中指数部分b的值较为接近,可认为不受坡率的影响,而系数a的值则随坡率有较大改变。为了统一函数形式,b值取以上四个数值的平均值-0.3831。以坡率为横坐标,以函数系数a为纵坐标,得到二者关系曲线,见图4。根据图4,运用最小二乘法曲线拟合方式拟合m和a的关系曲线得到:即得F和H/L、m之间的关系为:4.2波陡对管袋坝波浪作用力的影响通过自定义函数改变波浪周期要素,从而改变相应的波长、得到相应的波陡,监测管袋坝面上的整体受力,并对坝面受力沿时程进行追踪,绘出受力大小的时程曲线,当坡率m=1.2,周期T=6.65s,坝前水深d=7.7、8.4、9.1m时管袋坝整体受力随时间变化曲线见图5。由图5可看出,在造波初期,坝前水面基本处于静水状态,伴随有微小波动,至波浪传至管袋坝前,管袋坝面受到的波浪作用力逐渐增大,经历两个周期后作用值基本达到稳定,随后作用力大小随时间呈余弦规律变化,作用力的最大值位于波峰时刻,最小值对应波谷时刻。通过物理试验观察,波浪与管袋坝的相互作用是以波浪的破碎状态为特征,波浪传至坝前出现卷越破碎,水体以射流状态冲击斜坡,水流会沿着坝坡面循环攀爬回落,压力值也从峰值到谷值同步波动变化,并在坝面形成强大的冲击力,称为波浪的打击压力,坝坡上打击压力最大点称为打击中心点,打击中心点沿坝面向上或向下打击压力均递减。在不同坡率的管袋坝模型中,采用相同的求解方法和模型参数设置,计算不同波陡情况下的管袋坝受力情况,得到关系曲线见图6。由图6可看出:(1)同一坡率情况下,管袋坝所受到的作用压力随着波陡的增大呈减小趋势,即波浪越陡峭,波浪作用力越小;波浪越平坦,波浪作用力越大。(2)相同的波陡情况下,坡率越大,管袋坝所受的波浪作用力也就越大。这与物理试验中长波比短波产生的波浪力大,坡率越小,堤坝达到临界稳定状态的临界波高越小的结论相符合。5波陡、坡率之间的函数关系式,为计算管袋坝受a.基于已有的对不同边界条件下管袋的受力试验,运用FLUENT软件模拟了不同坡率管袋堤坝在不同水深、不同周期、不同波高波浪作用下的受力情况,将水深、波高、周期按照本文公式换算为对应的波陡分析