管袋壩的波浪受力分析

管袋壩的波浪受力分析

1試驗(yàn)研究的意義填充管袋技術(shù)廣泛應(yīng)用于海岸保護(hù)和海岸建設(shè)的領(lǐng)域。在河口和沿海地區(qū),潮汐和海浪作用頻繁,波浪是管袋筑壩的最主要外界荷載,直接影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。工程中管袋筑壩多采用工程經(jīng)驗(yàn),而理論試驗(yàn)研究則較少。林剛等采用試驗(yàn)手段對(duì)不同邊界條件下管袋的受力情況進(jìn)行了研究和分析,可為實(shí)際工程管袋堤壩的選型設(shè)計(jì)和穩(wěn)定校核提供參考。本文采用流體動(dòng)力學(xué)計(jì)算商業(yè)軟件FLUENT,生成二維數(shù)值波浪,在數(shù)值水槽中模擬試驗(yàn)條件下的波浪和管袋壩的相互作用,研究管袋壩的受力大小變化情況,以期探究管袋壩在波浪作用下受力影響因素,為工程實(shí)際提供一定的依據(jù)。2波陡模型及波速模型本文通過建立數(shù)值水槽的方式代替物理試驗(yàn)水槽,按照1∶1比例建立二維水槽模型,以模擬真實(shí)情況下的波浪與管袋相互作用,消除比尺效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響。建立網(wǎng)格模型時(shí),參照工程上常用的壩坡坡率,管袋堤壩壩坡坡率設(shè)定為1.2、1.5、2.0、2.5。試驗(yàn)采用淺水波理論,淺水波波陡通常介于1/15和1/20之間,因此試驗(yàn)選取三組不同的波陡進(jìn)行模擬,分別為1/15、1/18、1/20。在FLUENT中采用計(jì)算效率較高、模擬較為精確的源造波方法進(jìn)行造波,在相同坡率的每組試驗(yàn)中,通過定義不同的波高參數(shù)設(shè)定不同的壩前水深,通過調(diào)整波浪周期可得到不同的波長(zhǎng)及相應(yīng)的波陡,實(shí)現(xiàn)不同工況的模擬。波周期和波長(zhǎng)的關(guān)系為:式中,L為波長(zhǎng);g為重力加速度,取9.8N/kg;T為波浪周期;d為壩前水深。通過FLUENT命令菜單設(shè)置Monitor下的Force命令,可監(jiān)控水槽模型斜面上的總壓力隨時(shí)間的變化,從而計(jì)算管袋壩面在不同波浪要素作用下的總體受力情況。迭代計(jì)算從波浪生成到波浪傳播至壩前達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),取其穩(wěn)定峰值的均值作為最大作用力,以探求不同坡率、波高、波陡因素對(duì)其影響。試驗(yàn)中采用的波陡、水深、波高及周期見表1。3波特性的生成3.1數(shù)值連鎖物的干擾運(yùn)用FLUENT前處理網(wǎng)格剖分軟件Gambit建立二維網(wǎng)格模型,水槽分為造波區(qū)、前端消波區(qū)、工作區(qū)和末端消波區(qū),前端消波區(qū)以吸收管袋壩結(jié)構(gòu)存在引起的反射波,防止數(shù)值水槽前端壁面引起二次反射;末端消波區(qū)用來(lái)吸收工作區(qū)傳來(lái)的投射波,防止在末端壁面發(fā)生反射波干擾。數(shù)值水槽示意圖和劃分后的網(wǎng)格見圖1、2。水槽總長(zhǎng)800.0m,高15.0m,其中造波區(qū)長(zhǎng)50.0m,前端消波區(qū)長(zhǎng)50.0m,末端消波區(qū)長(zhǎng)100.0m,平均單元高度0.6m,在自由水面附近對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行局部加密,以便更精確地模擬自由液面。3.2流場(chǎng)初始速度左邊界取對(duì)稱邊界條件,上邊界取為壓力出口邊界條件,底邊界和右邊界均為固壁邊界條件,初始條件為流場(chǎng)中的初始速度均為0。利用UDF自定義函數(shù)對(duì)造波區(qū)、前端消波區(qū)、末端消波區(qū)分別添加附加動(dòng)量源項(xiàng),以實(shí)現(xiàn)造波區(qū)和消波區(qū)的造波、消波功能。3.3vof和自由面在動(dòng)量方程中,壓力速度耦合方式采用PISO算法,時(shí)間項(xiàng)采用一階隱格式插分算法,對(duì)流和擴(kuò)散項(xiàng)采用一階迎風(fēng)插分格式算法。在VOF方法中,自由面采用幾何重構(gòu)法。時(shí)間步長(zhǎng)取為0.005,迭代次數(shù)為16000。3.4網(wǎng)格劃分及波高沿程衰減的影響在每一組坡率的試驗(yàn)中,波浪的波高H取2.55、2.85、3.14m三種情況分別進(jìn)行模擬計(jì)算,每種波高對(duì)應(yīng)兩組不同周期,通過改變自由水面的高度模擬不同水深條件下的波浪形態(tài)及管袋壩的受力。通過模擬得到了相應(yīng)的波面圖,坡率1.2、波高2.55m、周期7.26s、水深6.65m的波面示意圖見圖3。由圖3可看出,波面形狀呈現(xiàn)較為規(guī)則余弦波浪,用源造波法造波形態(tài)較為理想,波高沿程會(huì)出現(xiàn)一定程度的衰減,在經(jīng)歷八到十個(gè)波峰之后波高逐漸趨于穩(wěn)定。波高的衰減有多方面因素,在物理試驗(yàn)水槽中也會(huì)出現(xiàn)類似的波高沿程衰減情況,其原因?yàn)?(1)液體的粘性作用及液體和邊界作用的能量損耗,會(huì)使能量在沿程傳遞過程中有一定損失,波高因而會(huì)相應(yīng)減小;(2)CFD中微分方程的離散化會(huì)產(chǎn)生一定截?cái)嗾`差,離散后的方程相當(dāng)于一個(gè)新的微分方程,對(duì)比原微分方程多出一個(gè)高階偏導(dǎo)項(xiàng),即數(shù)值耗散或人工粘性,也會(huì)導(dǎo)致相應(yīng)的波高沿程衰減。為了盡量減小數(shù)值耗散的影響,計(jì)算采用合理的劃分網(wǎng)格削弱數(shù)值耗散,在自由液面處加密網(wǎng)格,據(jù)文獻(xiàn),波形的準(zhǔn)確描述對(duì)垂向網(wǎng)格的劃分要求較高,而對(duì)橫向的網(wǎng)格劃分要求較低,且橫向和垂向網(wǎng)格的長(zhǎng)度/高度比應(yīng)視波陡而定,不能相差太大,否則在VOF法通過網(wǎng)格的波面形狀幾何重建過程中,單元內(nèi)的液體/氣體體積比不準(zhǔn)確。對(duì)計(jì)算的周期和波長(zhǎng)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì),與理論值進(jìn)行對(duì)比,見表2(僅列出坡率1.2結(jié)果)。由表2可看出,實(shí)際周期與理論值誤差較小,較為接近理論值,說明實(shí)際模擬的數(shù)值波浪要素可作為管袋受力的外部邊界條件。4結(jié)論分析4.1管袋所受波浪力m假設(shè)不同坡率下管袋壩受力大小和波陡大小之間滿足關(guān)系式F=a(H/L)b,按照最小二乘法曲線擬合方式求出對(duì)應(yīng)的a、b最小二乘解,得:式中,F為管袋所受波浪力;m為壩坡坡率。由式(2)可看出,函數(shù)關(guān)系式中指數(shù)部分b的值較為接近,可認(rèn)為不受坡率的影響,而系數(shù)a的值則隨坡率有較大改變。為了統(tǒng)一函數(shù)形式,b值取以上四個(gè)數(shù)值的平均值-0.3831。以坡率為橫坐標(biāo),以函數(shù)系數(shù)a為縱坐標(biāo),得到二者關(guān)系曲線,見圖4。根據(jù)圖4,運(yùn)用最小二乘法曲線擬合方式擬合m和a的關(guān)系曲線得到:即得F和H/L、m之間的關(guān)系為:4.2波陡對(duì)管袋壩波浪作用力的影響通過自定義函數(shù)改變波浪周期要素,從而改變相應(yīng)的波長(zhǎng)、得到相應(yīng)的波陡,監(jiān)測(cè)管袋壩面上的整體受力,并對(duì)壩面受力沿時(shí)程進(jìn)行追蹤,繪出受力大小的時(shí)程曲線,當(dāng)坡率m=1.2,周期T=6.65s,壩前水深d=7.7、8.4、9.1m時(shí)管袋壩整體受力隨時(shí)間變化曲線見圖5。由圖5可看出,在造波初期,壩前水面基本處于靜水狀態(tài),伴隨有微小波動(dòng),至波浪傳至管袋壩前,管袋壩面受到的波浪作用力逐漸增大,經(jīng)歷兩個(gè)周期后作用值基本達(dá)到穩(wěn)定,隨后作用力大小隨時(shí)間呈余弦規(guī)律變化,作用力的最大值位于波峰時(shí)刻,最小值對(duì)應(yīng)波谷時(shí)刻。通過物理試驗(yàn)觀察,波浪與管袋壩的相互作用是以波浪的破碎狀態(tài)為特征,波浪傳至壩前出現(xiàn)卷越破碎,水體以射流狀態(tài)沖擊斜坡,水流會(huì)沿著壩坡面循環(huán)攀爬回落,壓力值也從峰值到谷值同步波動(dòng)變化,并在壩面形成強(qiáng)大的沖擊力,稱為波浪的打擊壓力,壩坡上打擊壓力最大點(diǎn)稱為打擊中心點(diǎn),打擊中心點(diǎn)沿壩面向上或向下打擊壓力均遞減。在不同坡率的管袋壩模型中,采用相同的求解方法和模型參數(shù)設(shè)置,計(jì)算不同波陡情況下的管袋壩受力情況,得到關(guān)系曲線見圖6。由圖6可看出:(1)同一坡率情況下,管袋壩所受到的作用壓力隨著波陡的增大呈減小趨勢(shì),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)相同的波陡情況下,坡率越大,管袋壩所受的波浪作用力也就越大。這與物理試驗(yàn)中長(zhǎng)波比短波產(chǎn)生的波浪力大,坡率越小,堤壩達(dá)到臨界穩(wěn)定狀態(tài)的臨界波高越小的結(jié)論相符合。5波陡、坡率之間的函數(shù)關(guān)系式,為計(jì)算管袋壩受a.基于已有的對(duì)不同邊界條件下管袋的受力試驗(yàn),運(yùn)用FLUENT軟件模擬了不同坡率管袋堤壩在不同水深、不同周期、不同波高波浪作用下的受力情況,將水深、波高、周期按照本文公式換算為對(duì)應(yīng)的波陡分析