波浪由外海傳播到海岸附近,在地形和建筑物的影響下,波浪將發(fā)生與建筑物的相互作用。同時波浪與建筑相互作用引起水流強烈的紊動和翻滾,伴隨著大量空氣的卷入,形成大量氣泡。波浪與建筑物作用后大量能量的耗散,摻氣后可能對建筑物的損害加重,對工程實踐及環(huán)境問題有一定的影響。因此,研究浪作用下建筑物附近摻氣特性對于解決近岸區(qū)域的工程實踐問題和環(huán)境問題有十分重要的現(xiàn)實意義。本研究通過開展大量水槽實驗探討波浪作用下近岸建筑物附近摻氣的特性,采用光滑斜坡定床模型概化近岸地形及建筑物,以規(guī)則波和孤立波作為入射波,研究建筑物附近氣泡的產(chǎn)生、演變以及輸運過程,分析規(guī)則波作用下氣泡的大小、數(shù)量及空隙率的分布,探求氣泡的分布、輸運特性。同時基于OpenFOAM開源代碼建立了三維精細水動力數(shù)學模型,開展相應的數(shù)值模擬研究,在模型驗證的基礎上,運用數(shù)值模型探討了波浪作用下建筑物附近氣泡的演化,分析了建筑物附近流速、渦量、湍流動能分布的特點及其與氣泡演化的聯(lián)系,結果表明:規(guī)則波作用下建筑物附近氣泡粒徑遵從p∝dα分布,氣泡的弦長d與概率密度p之間存在明顯的冪指數(shù)關系。隨著氣泡粒徑的增大氣泡概率密度呈e指數(shù)衰減。以Hinze特征尺度為分界,氣泡粒徑分布遵循不同的分布規(guī)律,當氣泡尺度大于Hinze特征尺度時,氣泡容易受到湍流和剪切流的影響而發(fā)生破裂,小于該尺度的氣泡則由于表面張力而保持相對穩(wěn)定,本實驗Hinze特征尺度約為2 mm。渦結構與氣泡演化之間存在復雜的相互作用,氣腔在剪切流中的演化經(jīng)歷了氣腔的破碎、融合及溢出水面等過程。時間平均空隙率和時間平均湍流動能具有線性關系,同時湍流動能與氣泡數(shù)顯示線性關系。對于孤立波作用下建筑物附近氣泡的演化情況,建筑物上方的氣泡云一般要經(jīng)歷氣泡云初生、發(fā)展、消散三個階段。建筑物上方漩渦從生成到消散也分成三個階段,漩渦生成階段與氣泡云初生階段在空間和時間上完全吻合,漩渦的生成催生了氣泡云的出現(xiàn),漩渦的發(fā)展階段與氣泡云發(fā)展階段基本吻合,說明渦核對氣泡云的收聚及分離渦對氣泡云的分裂起到至關重要的作用。建筑物頂部氣泡云的直徑分別與其附近壓力及湍流動能成線性關系,湍流能越大氣泡云直徑越大,負壓越大氣泡云直徑越大。
【學位單位】：長沙理工大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TV139.26
【部分圖文】：

Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程，采用流體體積函數(shù)輸運方程（ＶＯＦ方法）捕捉自由液面變化，耦合??ＬＥＳ湍流方法，建立波浪與建筑物相互作用的三維水動力數(shù)值模型。??２．?２物理實驗概述??２．?２．１實驗儀器與設備??（１）波浪水槽與造波系統(tǒng)??實驗在長沙理工大學水利實驗中心的波浪水槽中進行，該水槽尺寸為４０?ｍｘ〇．５??ｍｘ〇．８ｍ?（長ｘ寬ｘ高）。水槽一端配有推板造波系統(tǒng)，該液壓伺服式造波機由大連理工大??學自主研發(fā)制造。該造波機系統(tǒng)硬件設備和軟件系統(tǒng)運行狀態(tài)良好，能夠用于模擬正弦??波、橢圓余弦波及孤立波等滿足實驗波浪要求。實驗波浪水槽與造波系統(tǒng)如圖２．１與圖??２．２所示。??

?本實驗采用德國Ｇｅｎｅｒａｌ?Ａｃｏｕｓｔｉｃ公司研發(fā)生產(chǎn)的超聲波非接觸式浪高儀，型號為??ＵＬＳ８０Ｄ?（如圖２．３），該浪高儀的可測量波高范圍為０－１２０?ｃｍ，采樣頻率為５０?Ｈｚ，浪??高儀主要由探頭和電纜組成，配有一個免標定探頭，如圖２．４所示。本實驗采用超聲波??浪高儀對不同波況下離岸區(qū)、建筑物附近的波高進行測量，采用Ｕｌｒａｌａｂ浪高儀采集系??統(tǒng)進行數(shù)據(jù)采集。??．Ｃ｜／｜?：?５—：Ｍ＿?／?；；＾?■??遍?：，■．．．．?一??圖２．３超聲波浪局儀?圖２．４免標定抹頭??（３）

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本文編號：2857092