短周期规则波浪在透水鱼礁型潜堤群上的传播特性

为探究系列以周期性分布的单排透水鱼礁型潜堤群对波浪传播变形以及波生湍流场的响应特性,通过水槽试验和数值模拟,对短周期规则波作用下不同间距布设的鱼礁型潜堤群波浪传播特性展开了研究。试验测定了短周期入射波况下无间距鱼礁型潜堤群的波面高度及其变化过程,波浪在发生浅水变形后波能耗散波高显著减小,但由于堤顶淹没水深较大波浪仍保持准对称性的正弦波形态向前传播。基于光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamic,SPH)方法建立了验证后的二维无反射数值波浪水槽,模拟了间距比为0.5~3.0的鱼礁型潜堤群的波浪传播过程。数值结果表明:鱼礁型潜堤群的间距对波浪反射影响非常大,各工况下鱼礁型潜堤群的反射系数均大于0.75;透射系数总体上随着间距比的增大而减小。特别地,当间距比为2.5时,堤顶波高骤升,反射系数达到最大,透射系数几乎最小,这是由于波浪与鱼礁型潜堤群发生了同频共振的布拉格反射效应,此时迎浪堤上方的上涌流范围和流速也达到最大。

透水鱼礁型潜堤内部流场及绕流特性模拟

为探究透水鱼礁型潜堤近区绕流结构的形态和水动力特性,通过水槽试验和数值模拟对均匀来流作用下单体鱼礁型潜堤近区绕流结构展开精细化研究。水槽试验采用粒子图像测速技术获得礁体内外的三维湍流特征,内部湍流在时均流场中呈现出横向对称的连续涡旋结构,揭示了鱼礁型潜堤表面的穿孔设计增强礁体内外水交换的流动机制。基于有限体积法建立了三维水槽数学模型,采用标准k-ε、重整化群k-ε、可实现k-ε和大涡模拟4种典型湍流模型模拟鱼礁型潜堤绕流流场,并根据试验结果评估各湍流模型的计算精度和效率。数值结果表明:大涡模拟方法对Navior-Stokes方程直接求解大涡的优势使其对礁体内部的流动分离现象预测最为精确,但模型计算效率最低;可实现k-ε模型对礁体结构内外的流速和涡旋分布的模拟基本反映了实测结果,且计算效率最高,是在计算能力有限时最适用于模拟透水鱼礁型潜堤的湍流模型。