《建筑结构抗震设计》课程论文模板.doc

建筑结构抗震设计建筑结构抗震设计 课课 程程 论论 文文 班 级 08 级房建本 2 班 学生姓名 鲁 严 学 号 0802080213 许昌学院许昌学院 城市与环境学院 土木工程学院 空气可压缩性对气幕防波堤消波性能影响研究空气可压缩性对气幕防波堤消波性能影响研究 张成兴 1 王永学2 1 许昌学院 城市与环境学院 河南许昌 461000 Email zhangchengxing19 2 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室 辽宁大连 116024 摘摘 要 要 该文将气液两相流看成是变密度单流体 以连续方程 雷诺平均方程和模型为控制方k 程 采用 VOF 方法追踪两相流界面 通过 UDF 在连续方程中添加附加质量源项的方法 建 立了气幕防波堤数学模型 通过数值计算得到的波浪透射系数同试验数据吻合较好 在此基 础上讨论了不同入射波浪要素 不同长度比尺以及不同供气量等条件下空气可压缩性对气幕 防波堤消波性能的影响 进而得出相应的结论 关键词 关键词 气幕防波堤 变密度单流体 消波性能 空气可压缩性 Study on the wave dissipating performance of air bubbles breakwater with air compressibility ZHANG Cheng xing1 WANG Yong xue2 ZHU Ya hong1 1 College of Urban Planning 2 The State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering Dalian University of Technology Dalian 116024 China Abstract Assuming the two phase fluid of water and air as a variable density fluid the numerical model of the air bubbles breakwater is developed The continuity equation the Reynolds average equations and the model are taken as the governing equations and the VOF method is used to trace the wave k surface The additional source term of the air curtain model is successfully added to the continuity equation by the Macro of UDF The transmission coefficients are obtained at the different air amounts and the wave periods agree well with the experimental data the effects of air compressibility on the wave dissipating performance of the air bubbles breakwater are analyzed with different wave characteristics length scales and air amounts then some conclusion which are meaningful to study the wave dissipating performances of the air bubbles breakwater are obtained Keywords air curtain breakwater variable density fluid wave dissipating performance air compressibility 1 1 引言引言 气幕防波堤系统由铺设在需要掩护的海域外侧接近水底处的喷气孔管和装设在工作船上 或岸上的压气站组成 自 1907 美国人 Brasher 首次基于气泡帷幕衰减波浪的观点提出了气幕 防波堤结构以后 气幕防波堤结构相关理论得到了很多学者的大量研究 1 但是对于气幕防 波堤的消波机理却提出不同的观点 Thysse 提出气幕防波堤系统的消波机理主要是气泡产生 的表面水平流 Iver Brevik 认为气幕防波堤的消波是由于水平流的作用产生的 其消波过程 可以分为三个区域 分别为波幅增长阶段 波幅饱和阶段以及最终波幅消减阶段 2 White 与 Geoffrey 和 Taylor 提出了产生一定水平流速所需气量和消耗掉给定波长所需的流速的计 算方法 3 Eveans 通过试验研究了气幕与水幕防波堤的消浪特性 认为气幕式与水幕式防波 堤产生的表层流以及水质点速度的分配比较接近 二者可以达到相同的消浪效果 并且气幕 防波堤对波浪的运动影响比较小 4 Taylor 通过分析并结合 Schmidt 的研究工作 认为水中 气泡帷幕产生表面水平流速只和单位管道长度 单位时间内从管道孔口处喷出气体的质量 Q 相关 3 Bulson 基于 Taylor 的研究工作 给出了由于气泡帷幕的存在而产生的表面水平流 速度和当地大气压强 管道淹没深度以及空压机供气量 Q0之间的关系 同时给出了气泡帷 幕产生水平流对波浪的消减特性 5 9 张成兴等通过数值模拟研究了不同入射波浪周期和供 气量条件下气幕防波堤消波性能 10 同时研究了静水中气泡帷幕产生水平流的过程 并对气 幕防波堤消波机理进行了初步探讨 11 由于气泡帷幕的消波机理十分复杂 国内外学者在气幕防波堤方面所做的工作主要是基 于试验研究和概化的理论分析 对影响气幕防波堤消波性能的影响因素了解还不够深入 本 论文通过建立气幕防波堤的数学模型 主要研究了不同波浪要素 不同供气量和不同长度比 尺条件下 空气可压缩性对气幕防波堤消波性能的影响 并对得到的结论进行了更深一步的 分析和探讨 2 2 数学模型数学模型 2 12 1 控制方程控制方程 本文将空气与水组成的两相流体看成是一种变密度单流体 各相共享同一压力场和速度 场 引入体积分数 其中 表示单元内没有第相流体 表示单元内全部为第 q a0 q a q1 q a 相流体 表示单元内第相流体占的体积分数为 对本文所研究的流体只有空q01 q a q q a 气和水两相流体构成的变密度单流体 所以下标表示水相 表示空气相 其密度0q 1q 和粘性系数可采用式 1 和式 2 计算 1 0011 aa 2 001 1 aa 变密度单流体的控制方程表达式为式 3 5 式 3 5 与单相流的连续方程 和雷诺平均 N S 方程的形式相同 12 只是方程中的密度和粘性系数由式 1 与式 2 确定 速度和压力定义为变密度单流体的速度和压力平均值 3 im i uS tx 4 2 3 j il iijijij ii jijjilj u uup uuuuu txxxxxxx 5 2 3 j ii ijttij jii u uu uuk xxx 式 5 中的为湍流粘性系数 其中为系数 取 湍流动 t 2 t C k C 0 09C 能和湍流动能耗散率采用式 6 与式 7 的标准方程 13 本文将空气和水两相流k k 体看成是一种变密度单流体 因此标准方程的系数也同样适用 k 6 t ikb ijkj k kkuGG txxx 7 2 132 t ikb ijj uCGC GC txxxkk 式 6 与式 7 中的表示由层流速度梯度而产生的湍流动能 是由浮力产生的 k G b G 湍流动能 是常量 取 是方程和 1 C 2 C 1 1 44C 2 1 92C 3 tanh v C u k k 方程的湍流Prandtl数 取 1 0 k 1 3 2 22 2 空气可压缩处理空气可压缩处理 在数值模拟计算过程中 对于需要考虑空气可压缩性的性质时 将该空气处理为理想气 体 符合理想气体状态方程 质量为 摩尔质量为的理想气体 其状态参量压强 mMP 体积和绝对温度之间的函数关系为 14 VT 8 PVmRT MnRT 其中式 8 中 是气体常量 单位为 压强单位为 温度单R N kg Km P a PT 位为 体积单位为 是物质的量 在进行空气可压缩性对气幕防波堤消波性能KV 3 mn 影响的数值模拟过程中 视为是一个等温过程 因此 成反比 即 当VP 1 V P 质量不变的情况下 此时空气的密度 因此空气密度的变化将随着压强的变m m V 化而变化 即 P 2 32 3 边界条件及算法边界条件及算法 气幕防波堤数值模型示意图如图 1 所示 图中左边界 AB 为造波动边界 右边界 CD 取无滑移直墙边界条件 墙前的尾端消波采用阻尼层消波 上边界 AD 取压力入口边界条件 底边界 BC 取无滑移直墙边界条件 15 16 动边界 消波区 图 1 气幕防波堤模型示意图 气幕防波堤数值模型左边的造波动边界选用推板式造波 数值波浪水槽尾端采用阻尼层 消波 即利用数值阻尼的方法在阻尼层中使波浪的速度和压力逐渐减小来达到消波的目的 17 可通过在数值波浪水槽尾端添加附加动量源项于动量方程式 4 右端来实现 i x u 9 0 0 4 0 l x x xKK xx 式中为阻尼层末端位置 为阻尼层起始位置 气幕的产生通过设置连续方程式 3 l x 0 x 右端的质量源项来实现 m S 基于网格划分软件 Gambit 对图 1 所示的气幕防波堤模型进行流动区域几何形状的构建 边界类型的确定以及网格的生成 动量方程的离散格式以及方程离散格式均使用一阶k 迎风格式 对离散后得到的线性方程组的求解采用分离式解法 采用 VOF 方法追踪气液两 相的界面 对压力插值方式选用体积力加权方式 对压力速度耦合方式 选用隐式分裂算法 2 42 4 模型验证模型验证 为验证气幕防波堤数值建模的合理性 对图 1 所示的气幕防波堤数值计算模型进行数值 模拟计算 长度比尺选取 1 10 波浪参数和供气量参数的选取与试验研究相同 18 即选取波 高 H 0 355m 水深 d 1 2m 周期 T 1 58s 1 91s 供气量 Qm 5 10 15 20m3 h m 本文 中气幕防波堤的消浪性能指标透射系数采用公式定义的透射系数来讨论 m Ct 2 1 m Ct H H m Ct 式中为气幕后监测点处有气幕存在情况下的平均波高 为气幕后相同监测点处没有气 2 H 1 H 幕存在情况下的平均波高 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 0510152025 供气量 Qm m3 h m 透射系数 Ctm 试验结果 数值结果 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 0510152025 供气量 Qm m3 h m 透射系数 Ctm 试验结果 数值结果 a 长度比尺 1 10 T 1 58s b 长度比尺 1 10 T 1 91s 图 2 不同供气量 Qm条件下试验和数值模拟透射系数 Ctm对比图 图 2 中的图 a 和图 b 分别给出了不同供气量条件下入射波浪周期 T 分别为 1 58s m Q 和 1 91s 时透射系数的试验结果和数值结果对比图 从两图可以看出 透射系数的试 m Ct m Ct 验结果和数值结果相差很小 相对误差最大为 4 8 表明本文气幕防波堤数学模型建模的 合理性 3 3 模型应用模型应用 表 1 给出了不同长度比尺情况下模型计算情况 无论哪种长度比尺情况下其所选用 的供气量大小是一样的 共四种情况 而模型的波浪要素和水深情况根据重力相似准则 m Q 进行对应长度比尺进行缩放 透射系数的求出依然选用相同的统计方法计算得到 将 m Ct 得到各种情况下的透射系数根据不同的波浪入射周期进行绘图 见图 3 到图 5 所示 m CtT 表 1 模型计算情况表 长度比尺周期 s 波高 m 水深 m 供气量 Qm m3 h m 1 790 712 45101520 2 240 712 451015201 5 2 680 712 45101520 1 260 3551 25101520 1 580 3551 251015201 10 1 910 3551 25101520 1 030 2370 85101520 1 290 2370 851015201 15 1 550 2370 85101520 0 890 1780 65101520 1 120 1780 651015201 20 1 340 1780 65101520 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 0510152025 供气量Qm m3 h m 透射系数 Ctm 可压缩 不可压缩 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 0510152025 供气量Qm m3 h m 透射系数 Ctm 可压缩 不可压缩 1 5 1 10 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 0510152025 供气量 Qm m3 h m 透射系数 Ctm 可压缩 不可压缩 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 0510152025 供气量 Qm m3 h m 透射系数 Ctm 可压缩 不可压缩 1 15 1 20 图 3 不同长度比尺可压缩和不可压缩情况下供气量 Qm和透射系数 Ctm对比图 T 4s 图 3 给出了不同长度比尺和不同供气量条件下 入射波浪周期 4s 时考虑空气可 m QT 压缩性和不考虑空气可压缩性时其对应的透射系数对比图 从图 3 可以看出 在不同长 m Ct 度比尺情况下 考虑空气可压缩性和不考虑空气可压缩性两种情况时 其透射系数均 m Ct 随着供气量的增加而降低 说明供气量影响气幕防波堤的消波性能 同时可以看出无 m Q m Q 论长度比尺如何变化 在相同供气量的作用下 考虑空气可压缩性和不考虑空气可压 m Q 缩性而得到的气幕防波堤消波性能参数透射系数在数值上相差甚微 两者最大误差为 3 m Ct 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 0510152025 供气量Qm m3 h m 透射系数 Ctm 可压缩 不可压缩 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 0510152025 供气量 Qm m3 h m 透射系数 Ctm 可压缩 不可压缩 1 5 1 10 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 0510152025 供气量Qm m3 h m 透射系数 Ctm 可压缩 不可压缩 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 0510152025 供气量Qm m3 h m 透射系数 Ctm 可压缩 不可压缩 1 15 1 20 图 4 不同长度比尺可压缩和不可压缩情况下供气量 Qm和透射系数 Ctm对比图 T 5s 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 0510152025 供气量Qm m3 h m 透射系数 Ctm 可压缩 不可压缩 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 0510152025 供气量Qm m3 h m 透射系数 Ctm 可压缩 不可压缩 1 5 1 10 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 0510152025 供气量Qm m3 h m 透射系数 Ctm 可压缩 不可压缩 0 0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 1 0 0510152025 供气量Qm m3 h m 透射系数 Ctm 可压缩 不可压缩 1 15 1 20 图 5 不同长度比尺可压缩和不可压缩情况下供气量 Qm和透射系数 Ctm对比图 T 6s L 图 4 和图 5 分别给出了不同长度比尺和不同供气量条件下 入射波浪周期 5s 和 m QT 6s 时考虑空气可压缩性和不考虑空气可压缩性时其对应的透射系数对比图 同样从T m Ct 图 4 和图 5 可以看出 在不同长度比尺情况下 考虑空气可压缩性和不考虑空气可压缩性 两种情况时 其透射系数均随着供气量的增加而降低 同样说明供气量影响气幕 m Ct m Q m Q 防波堤的消波性能 且从两图可以看出 无论长度比尺如何变化 在相同供气量的作 m Q 用下 考虑空气可压缩性和不考虑空气可压缩性而得到的气幕防波堤消波性能参数透射系数 在数值上相差甚微 考虑空气可压缩情况时得到的透射系数略小于不可压缩情况下 m Ct m Ct 的透射系数 但两者之间的相对误差较小 最大误差为 4 m Ct 总之 从上面的图 3 到 5 可以看出 在模型情况下 考虑空气压缩性和不考虑空气压缩 性时 无论长度比尺如何变化 以及入射波浪周期如何变化 在相同的供气量作用 T m Q 下气幕防波堤的透射系数没有太大的改变 说明两种情况下气幕防波堤的消波性能没有 m Ct 明显的变化 进而说明空气压缩性对气幕防波堤的消波性能影响很小 因此在气幕防波堤数 值模拟过程中 可以忽略空气的可压缩性 将空气认为是不可压缩气体进行处理 简化气幕 防波堤数值模拟处理过程 4 4 结论结论 本文将气液两相流看成是变密度单流体 以连续方程 雷诺平均方程和方程为控k 制方程 采用 VOF 方法追踪两相流界面 通过在连续方程和动量方程中添加附加源项方法 建立了气幕防波堤的数值模型 数值计算得到的气幕防波堤结构的透射系数 与试验数 m Ct 据吻合较好 在此基础上讨论了不同入射波浪要素 不同长度比尺以及不同供气量等 m Q 条件下空气可压缩性对气幕防波堤消波性能的影响 进而得出相应的结论 1 气幕防波堤的消波性能主要受供气量的影响 在相同供气量的作用下 入射 m Q m Q 波浪的周期越小 消波效果明显 T 2 在不同入射波浪周期条件下 考虑空气可压缩性与不考虑空气可压缩性两种情况T 下 得到气幕防波堤的透射系数相差很小 相对误差均在 5 以内 m Ct 3 在不同长度比尺条件下 考虑空气可压缩性与否 气幕防波堤消波效果无明显改 变 4 在气幕防波堤数值模拟过程中 可以忽略空气的可压缩性 将空气视为不可压缩气 体进行处理 参考文献参考文献 1 王国玉 特种防波堤结构形式及水动力学特性研究 D 大连理工大学 大连 大连 大连理工大学博士 论文 2005 WANG Guo yu Insligation on the stnotune type and performance of the spelial breaklwaters D Dalian Dalian University of Techology Dalian University of Techology Dalian China 2005 2 IVER BREVIK Partial wave damping in pneumatic breakwaters J Journal of the hydraulics division 1976 Vol 102 No HY9 1167 1176 3 G T S The action of a surface current used as a breakwater C Proceeding of the Royal Society A 1955 231 unknown 466 478 4 EVANS Pneumatic and similar breakwaters C Proceeding of the Royal Society A 1955 231 457 466 5 Bulson P S The theory and design of bubble breakwater C Proceeding of 11th Conference on Coastal Engineering London 1968 II 995 1015 6 Bulson P S Currents produced by an air curtain in deep water J The Dock and Harbour Authority 1961 XLII 487 15 22 7 Bulson P S Large scale bubble breakwater experiments J The Dock and Harbour Aurhority 1963 XLIV 514 191 197 8 Bulson P S Bubble breakwaters with intermittent air supply J The Dock and Harbour Aurhority 1963 XLIV 514 129 134 9 Bulson P S Transportable breakwaters J The Dock and Harbour Aurhority 1967 XLVIII 560 41 46 10 张成兴 王国玉 王永学 气幕防波堤消波性能数值模拟研究 J 水动力学研究与进展 A 辑 2009 24 5 543 549 ZHANG Cheng xing WANG Guo yu and WANG Yong xue Study on the peirformances of air curtain breakwater by numerical simulation study J Journal of Hydrodynamics Ser A 2009 24 5 543 549 11 张成兴 王永学 王国玉 静水中气泡帷幕产生水平流的数值模拟研究 J 水动力学研究与进展 A 辑 2010 25 1 59 66 ZHANG Cheng xing WANG Yong xue and WANG Guo yu et al Numerical simulation study on the horizontal current generated by air bubbles curtain in still water J Chinese Journal of Hydrodynamics Ser A 2010 25 1 59 66 12 韩占忠 王敬 兰小平 FLUENT 流体工程仿真计算实例与应用 M 北京理工大学出版社 2004 HAN Zhan zhong WANG Jing LAN Xiao ping Fluids engineering simulation examples and applications of Fluent M Beijing institute of technology press 2004 13 王瑞金 张凯 王刚