【摘要】：近些年來,人類對(duì)海洋資源的掠奪和海洋環(huán)境的污染加劇,造成漁業(yè)資源的逐漸衰退。海洋牧場(chǎng)建設(shè)過程中證實(shí)了人工魚礁對(duì)漁業(yè)資源的恢復(fù)和保護(hù)發(fā)揮了重要作用,并且還使近海的海洋生態(tài)環(huán)境得到改善。人工魚礁水動(dòng)力特性包含人工魚礁的流場(chǎng)效應(yīng)和安全穩(wěn)定性兩個(gè)方面的內(nèi)容。人工魚礁的流場(chǎng)效應(yīng)關(guān)系到人工魚礁產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng),而人工魚礁的安全穩(wěn)定性關(guān)系到人工魚礁的使用壽命及人工魚礁是否能正常的發(fā)揮作用。在復(fù)雜的海洋環(huán)境中,人工魚礁在海底會(huì)受到波浪和水流的共同作用,研究波流共同作用下的人工魚礁水動(dòng)力特性更符合實(shí)際情況,可為人工魚礁的設(shè)計(jì)、評(píng)估人工魚礁產(chǎn)生的生態(tài)效應(yīng)提供更準(zhǔn)確的理論依據(jù)。本文根據(jù)邊界造波法的原理,利用FLUENT軟件建立了可以分別模擬單獨(dú)水流、單獨(dú)波浪及波流作用下人工魚礁水動(dòng)力特性的三維數(shù)值波流水槽。通過該數(shù)值模型模擬了7種波流組合中單獨(dú)波浪、單獨(dú)水流及波流作用下圓柱鏤空型人工魚礁的受力及其周圍的流場(chǎng)。將數(shù)值模擬得到7種不同波流工況的受力情況與對(duì)應(yīng)工況下物理模型實(shí)驗(yàn)的結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,驗(yàn)證了此數(shù)值模型模擬人工魚礁水動(dòng)力特性的可行性。根據(jù)數(shù)值模擬的受力結(jié)果,對(duì)波流聯(lián)合作用下水動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行了分析;同時(shí)對(duì)7種波流工況下圓柱鏤空型人工魚礁的穩(wěn)定性也進(jìn)行了校核。根據(jù)數(shù)值模擬得到的人工魚礁周圍流場(chǎng)的結(jié)果,對(duì)在單獨(dú)水流、單獨(dú)波浪和波流分別作用下圓柱鏤空型人工魚礁周圍的流場(chǎng)進(jìn)行分析;也研究了不同流速水流和不同波流組合對(duì)圓柱鏤空型人工魚礁背渦流的影響。
【圖文】：

圖 3.1 數(shù)值波流水槽的設(shè)置Fig.3.1 Setting of numerical wave-current flume在 Fluent 軟件的設(shè)置中，通過自定義函數(shù)（UDF）給定入口邊界處波浪的速度場(chǎng)函數(shù)和波面方程，從而實(shí)現(xiàn)邊界造波的目的。本文采用邊界造波法，在速度入口邊界上，根據(jù)波面方程（式（3.1）），利用自定義函數(shù)給定波面高度；根據(jù)二階 Stokes 波浪的速度函數(shù)（式（3.2）），利用自定義函數(shù)給定入口邊界處波浪速度的表達(dá)式。在壓力出口邊界上根據(jù)水位高度用自定義函數(shù)對(duì)出口壓力進(jìn)行設(shè)置。波流共同作用下的流速場(chǎng)水平流速可用波浪與水流二者水平流速值相疊加而得[51]。因此，可以將水槽入口處作為波浪和水流相互作用的起始位置，給出波浪和水流相疊加的邊界條件，即將上述邊界造波中的速度函數(shù)式（3.2）改成式（3.3），其他條件不變，即可達(dá)到造波流的目的。此外，，邊界造波法還可以模擬均勻流，原理同上，通過在速度入口邊界上給定水面高度和水流流速，即可使數(shù)值水槽實(shí)現(xiàn)造均勻流。 23coshη cos 2 cosh2 cos22 16sinhH kH kdkdkd (3.1)

圖 3.2 數(shù)值水槽網(wǎng)格劃分Fig.3.2 Mesh of the numerical wave-current tank3.4 數(shù)值波流水槽模擬與理論驗(yàn)證為了驗(yàn)證數(shù)值波流水槽能準(zhǔn)確的模擬波浪和波流。如表 3.1 所示，本文選取了兩組波流工況，對(duì)算例中的單獨(dú)波浪和波流進(jìn)行數(shù)值模擬，將模擬得到波面歷時(shí)曲線與理論波面歷時(shí)曲線進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值波流水槽模擬出的波浪和波流是否準(zhǔn)確。表 3.1 水槽驗(yàn)證波浪和水流參數(shù)Tab.3.1 Wave and current parameters of flume工況 水深/m 周期/s 波高/m 流速/(m/s)1 0.5 1.2 0.06 0.12 0.5 1.4 0.10 0.23.4.1 數(shù)值波流水槽模擬波浪與理論驗(yàn)證
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：S953.1

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