波浪作用下墩柱周围局部冲刷机理研究

论文摘要

在海岸地区,引起泥沙运动的最主要动力因素是波浪。从波浪进入浅水开始“触底”的时候起,波浪将会在岸坡发生反射、变形,甚至破碎。海上建筑物如海底管线、小尺度桩柱、大尺度圆柱、防波堤、人工岛等较多修建在海岸地区。当这些建筑物在海洋中存在时,建筑物附近的水流速度分布将被改变,使建筑物周围的底部剪切应力和泥沙输沙率值增大,导致局部冲刷。如果冲刷很严重,将对建筑物基础的稳定性有很大威胁。所以海上波浪作用下泥沙冲刷在海洋工程设计中被愈来愈重视。墩柱是一种较常见的海工建筑物,对于墩柱局部最大冲刷深度的研究结果较多,但对其流场特性研究较少。明基床墩柱是目前研究较少但应用前景广泛的一种海工建筑物,现已用作海上风力发电的基础。由于墩柱和基床的双重影响其局部冲刷形态和流场特性必然与墩柱有所不同。本文通过水槽实验及数值水槽模型模拟波浪从外海传入,到斜坡触底后发生反射、浅水变形、泥沙起动、墩柱及明基床墩柱局部冲淤的完整过程。并试图利用有限的实测资料及数据对波浪作用下沙质海床上大直径圆柱及明基床圆柱局部冲刷问题及流场特性进行研究和探讨。水槽试验中,用浪高仪测量不同位置的波高、波周期,通过分析这些数据,了解波浪在斜坡前的反射、传播过程中的变形和墩柱前的反射、绕射,分析波浪场的改变对局部冲刷的影响。用NDV实时测量建筑物附近的冲刷随时间的变化过程、冲刷发展阶段及平衡冲刷阶段不同位置的三维瞬时流速,用地形仪测量了持续造波15min和60min的三维地形,用数码相机拍摄了60min后的三维地形,了解墩柱及明基床墩柱局部冲刷特性及流场特性,从统计学的角度对其紊动特性进行分析,包括:脉动强度、雷诺应力、紊动动能。基于以上分析探求墩柱及明基床墩柱局部冲刷机理。采用基于Boussinesq方程的波浪数学模型,通过计算单一墩柱和明基床墩柱瞬时流速场、床面平均剪应力、平均涡量场,研究其附近的流场、涡动特性。经试验验证能较好的模拟各位置的波高及墩柱附近流场特性及涡动特性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 文献综述
• 1.2.1 波浪下的泥沙运动
• 1.2.2 波浪作用下大直径墩柱周围泥沙冲刷的研究现状
• 1.2.2.1 不同泥沙粒径对冲刷的影响
• 1.2.2.2 不同水深条件对冲刷的影响
• 1.2.2.3 不同波浪参数使K.C 值发生变化对冲刷深度的影响
• 1.2.2.4 圆柱直径对最大冲刷深度的影响
• 1.2.2.5 冲刷时间t 的影响
• 1.2.3 流场特性研究综述
• 1.2.4 大尺度建筑物周围局部冲刷的数值模拟
• 1.3 本文所做的工作
• 第二章 试验布置及预备试验
• 2.1 试验布置
• 2.1.1 试验水槽布置
• 2.1.2 模型参数的选取
• 2.1.3 试验沙的布置
• 2.1.4 浪高仪的布置情况
• 2.1.5 NDV 的布置
• 2.1.6 URI-IIU型河床模型地形测量仪
• 2.1.7 数码相机
• 2.2 预备试验
• 2.2.1 泥沙起动试验
• 2.2.2 试验波浪参数的选取
• 2.2.3 模型验证
• 第三章 波浪传播变形及其对局部冲刷的影响
• 3.1 波浪在斜坡处的反射
• 3.2 浅水变形
• 3.3 波浪绕墩柱的衍射
• 3.4 波浪场的改变对局部冲淤的影响
• 第四章 圆柱附近局部冲刷及流场特性研究
• 4.1 局部冲刷研究
• 4.1.1 冲刷的发展（位置、范围）
• 4.1.2 平衡冲刷情况及最大冲刷深度
• 4.2 流场特性研究
• 4.2.1 三维瞬时速度场
• 4.2.1.1 侧面同一条垂线上不同水深处三维顺时流速
• 4.2.1.2 不同位置距底相同距离三维瞬时流速比较
• 4.2.1.3 冲刷发展阶段三维流速的比较
• 4.2.2 平均流速
• 4.2.2.1 时间平均流速
• 4.2.2.2 相位平均速度
• 4.2.3 脉动强度
• 4.2.3.1 时间平均的脉动强度
• 4.2.3.2 相位平均的脉动强度
• 4.2.4 雷诺应力
• 4.2.4.1 时均雷诺应力
• 4.2.4.2 相位平均雷诺应力
• 4.2.5 紊动动能
• 4.2.5.1 时均紊动动能
• 4.2.5.2 相位平均紊动动能
• 4.3 本章小结
• 第五章 明基床墩柱附近局部冲刷及流场特性研究
• 5.1 局部冲刷研究
• 5.1.1 冲刷的发展（位置、范围）
• 5.1.2 平衡冲刷的冲刷范围及最大冲刷深度
• 5.2 流场特性研究
• 5.2.1 三维瞬时速度
• 5.2.1.1 基床背面同一条垂线上不同位置三维顺时流速
• 5.2.1.2 不同位置距底相同距离三维瞬时流速比较
• 5.2.1.3 冲刷发展阶段和平衡冲刷时相同距底深度下三维流速的比较
• 5.2.2 平均流速
• 5.2.2.1 时间平均流速
• 5.2.2.2 相位平均流速
• 5.2.3 脉动强度
• 5.2.3.1 时间平均的脉动强度
• 5.2.3.2 相位平均的脉动强度
• 5.2.4 雷诺应力
• 5.2.4.1 时均雷诺应力
• 5.2.4.2 相位平均雷诺应力
• 5.2.5 紊动动能
• 5.2.5.1 时均紊动动能
• 5.2.5.2 相位平均紊动动能
• 5.3 本章小结
• 5.4 圆柱与明基床圆柱周围局部冲刷形态及流场特性比较
• 第六章 墩柱周围流动特性数值研究
• 6.1 模型介绍
• 6.1.1 控制方程
• 6.1.2 线性色散关系
• 6.1.3 非线性性
• 6.1.4 波浪破碎的模拟
• 6.1.5 底部摩阻
• 6.1.6 数值离散
• 6.1.7 边界条件
• 6.1.8 计算步骤
• 6.2 模型验证
• 6.3 结果分析
• 6.3.1 圆柱附近流场特性分析
• 6.3.1.1 瞬时流速场
• 6.3.1.2 床面平均剪应力
• 6.3.1.3 平均涡量场
• 6.3.2 明基床圆柱附近流场特性分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论
• 7.1 主要结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读学位期间发表论文目录
• 附录B 攻读学位期间参与项目目录