群樁在波浪作用下的水動(dòng)力特性研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著海上石油鉆井平臺(tái)、海上航運(yùn)、海上風(fēng)電及跨海大橋等海洋事業(yè)的發(fā)展，與之相適應(yīng)的波浪對(duì)海上結(jié)構(gòu)物作用的研究得到了廣泛的關(guān)注。而在諸多的海上結(jié)構(gòu)物中，樁柱結(jié)構(gòu)物的應(yīng)用尤為廣泛，因而有必要開(kāi)展樁柱結(jié)構(gòu)在波浪作用下的水動(dòng)力特性研究。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于群樁波浪力的研究方法主要是基于物理模型試驗(yàn)，而基于數(shù)值模擬的研究相對(duì)較少;研究?jī)?nèi)容上，對(duì)于結(jié)構(gòu)的研究主要集中在雙樁、三樁并串列結(jié)構(gòu)和四樁方陣結(jié)構(gòu)，此類結(jié)構(gòu)研究成果對(duì)于比較復(fù)雜的群樁結(jié)構(gòu)不再適用

2、;對(duì)于影響因素主要考慮KC數(shù)、雷諾數(shù)Re、樁位、樁距、樁徑等，而對(duì)波向的影響考慮很少。
　　本文綜合考慮以上問(wèn)題，通過(guò)物理模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法開(kāi)展對(duì)群樁在波浪作用下的水動(dòng)力特性研究。首先，通過(guò)物理模型試驗(yàn)分別研究了規(guī)則波和不規(guī)則波作用下，五樁結(jié)構(gòu)的群樁效應(yīng)。規(guī)則波部分，以孤立樁樁力為基礎(chǔ)，考慮KC數(shù)和波向?qū)θ簶吨懈鹘M成樁正向力系數(shù)、正向力和橫向力之比、合力系數(shù)以及群樁正向總力系數(shù)的影響，最終給出各個(gè)樁樁力分配比例，明確群

3、樁中各組成樁的受力;不規(guī)則波部分，在規(guī)則波研究?jī)?nèi)容的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)研究群樁整體總力達(dá)到最大時(shí)，各組成樁的受力，并給出各組成樁受力占總力百分比，這樣對(duì)于不規(guī)則波的研究更貼近于工程實(shí)際應(yīng)用，從而為工程設(shè)計(jì)提供一定的設(shè)計(jì)依據(jù)。其次，數(shù)值模擬研究利用Fluent軟件，基于粘性不可壓縮流體的雷諾時(shí)均N-S方程和k-ε湍流模型，采用有限體積法對(duì)控制方程進(jìn)行離散，建立數(shù)學(xué)模型;基于質(zhì)量源造波和動(dòng)量源消波方法，在連續(xù)方程和動(dòng)量方程中加入造波源項(xiàng)和消波源項(xiàng)

4、，同時(shí)采用VOF方法捕捉自由表面，建立三維數(shù)值波浪水槽。通過(guò)數(shù)值模擬二階Stokes波與理論波對(duì)比驗(yàn)證該數(shù)值波浪水槽造波和消波的有效性;通過(guò)數(shù)值模擬孤立樁與波浪相互作用以及群樁與波浪相互作用，將數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)照，驗(yàn)證該模型在處理三維結(jié)構(gòu)物水動(dòng)力學(xué)問(wèn)題上的有效性和精確性。再次，基于通過(guò)驗(yàn)證的數(shù)值模型，進(jìn)一步開(kāi)展群樁在波浪作用下的水動(dòng)力特性研究，在考慮KC數(shù)和波向的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮相對(duì)樁距l(xiāng)/D對(duì)群樁受力的影響，最后通過(guò)對(duì)群樁渦量場(chǎng)的