开孔双层板型防波堤结构及其水动力特性研究

Twin perforated plate breakwater is a new type of permeable barrier, which is proposed in the study of horizontal plates. The vertical impact wave forces on the upstream and downstream of horizontal plates are large and pose a threat to the stability and security of the breakwater. Most of the existing methods of calculating wave force on the horizontal plate were based on the potential flow theory. The breaking wave forces on the plates were rarely simulated by these models. Based on the Navier-Stokes (N-S) equations, k-ε turbulence model and the volume of fluid (VOF) method, a three-dimensional numerical model is built in the project. The model has been developed to simulate the wave interaction with twin plate and investigate the characteristics of wave on the breakwater. Four different types of perforated plate are tested and compared with twin solid plate. The wave transmission characteristic and wave induced pressures on twin perforated plate breakwater are discussed. Some useful results are presented, which should be helpful to structural design of the twin plate barrier. It is proved that the model is an accurate and efficient numerical tool to investigate different wave-structure interactions problems.

开孔双层板型防波堤是一种新型透空防波堤结构形式，它是在原有水平板型防波堤研究基础上的进一步优化。水平板型防波堤受到波浪作用时，迎浪侧和背浪侧均受到较大的垂向冲击荷载，对防波堤的整体稳定和结构安全构成威胁。现有水平板上的波浪力计算方法大多基于势流理论，无法对结构上的波浪破碎等强非线性荷载进行模拟。本项目拟建立基于Navier-Stokes(N-S)方程、k-ε湍流模型和流体体积法的三维数值模型，对波浪与水平板型结构之间的相互作用进行模拟。研究不开孔双层板防波堤的受力机理，在此基础上提出四种不同开孔形式的水平双层板结构布置方案。探讨不同开孔形式防波堤的消浪性能和受力特征，为这种新型透空式防波堤的结构设计和应用提供依据。本项目建立的破碎波荷载计算模型，可以应用到多种港口码头结构的波浪荷载计算上，为结构物上非线性波浪荷载模拟提供参考。

开孔双层水平板防波堤作为透空式防波堤的一种新的型式，考虑波能集中在水体表面的特点，将水平板设置在水面附近，波浪通过水平板时，一方面可发生破碎和紊动能量损失；另一方面双层水平板可改变波浪水质点运动轨迹和其周围的流场形态，从而减小波能流向前传播，以达到减小被掩护水域波浪之目的。与传统型式防波堤比较，该型式防波堤具有以下显著特点：水深适应性强，可根据水深条件灵活采用固定式或浮式；深水水域有着较高的性价比；可允许水体通过，消浪的同时又可以保证良好的水体交换进而保护海洋水质环境；将水平板设置为双层，增强其对潮位变化的适应性。.本项目建立基于Navier-Stokes(N-S)方程、k-湍流模型和流体体积法的三维数值模型，引入Air_F函数模拟“气隙”，对波浪与水平板型结构之间的相互作用进行模拟。研究了不同开孔双层板防波堤的受力机理，在此基础上提出不同开孔形式的水平双层板结构布置方案，探讨了不同开孔形式防波堤的消浪性能和受力特征。.基于物理模型试验，采用正向入射的规则波和不规则波，对固定式开孔双层水平板的水动力学特性进行了系统研究。分析不同试验条件下固定式开孔双层水平板的透射系数、反射系数、能损系数、波动压力分布和垂向总力，得到以下主要结果：.（1）开孔双层水平板消浪机理是将波浪势能转化为动能、改变能量输移方向并局部损耗波浪能量。水平板开孔后增强了水平板对能量的转换功能，使得双层水平板的消浪能力较不开孔板有所增强。.（2）就单一参数的影响而言，平顶的双层水平板透射系数与相对板宽、波陡呈幂函数的变化规律；与相对波高呈近似线性相关；.（3）平顶双层水平板的最大波动压力出现在水平板前区（x/B=0~0.2区），水平板尾端也会出现较大的波压力（x/B =0.8~1区）。