基于OpenFOAMreg;的海啸对斜坡式防波堤作用的数值模拟
Gokhan Gulera,lowast;, Cuneyt Baykalb, Taro Arikawac, Cevdet Yalcinerd
摘要
在OpenFOAMreg;环境中, 该数值模型通过海浪袭击的孤波和海啸覆盖实验的数据进行校准和验证。 此外，模拟海达尔帕萨港附近潜在海啸的袭击，以研究现代技术带来的更逼真的海啸的影响，这种海啸无法在浪潮中产生.本文讨论了这类数值模拟研究的实际工程应用，重点讨论了碎石防波堤顶壁周围的压力分布以及作用于位于防波堤后侧的顶壁后面的单个石块上的力。 整篇论文研究了整个横截面的稳定性/失效机理的数值模拟。
目前的研究表明，波浪水流和防波堤上的流体动力学可以针对孤波和海啸超载试验进行适当模拟。 整体横截面的稳定性只能针对孤立波情况进行定性模拟; 另一方面，在使用本数值工具的模拟中，不能反映海啸过程中所经历的时间的影响。 然而，通过评估作用于支撑碎石防波堤顶壁的后侧装甲单元上的力，作为本文的实际工程应用，从而判断海啸覆盖下整体横截面的稳定性。 此外，导出了两个无量纲参数来讨论该铠装单元的稳定性; 从而确定整个横截面的稳定状态。 给出了这些无量纲参数的近似阈值，将实验和数值结果作为工程师在实践中的出发点。 最后，关于孤波和海啸过度实验/模拟的研究已扩展到潜在的海啸模拟，这既可以表示波浪中现实的海啸，也可以代表碎石堆防波堤的稳定性。
引言
中产生“真实”的海啸在2011年东日本大海啸发生后，随着海啸以意想不到的方式摧毁了许多桥梁，防波堤和其他沿海基础设施，小规模计算流体动力学（CFD）模拟变得必要[1]。虽然有许多研究着重评估海啸对海堤的影响，综合防波堤和桥梁，考虑到物理和数值模拟研究，有限数量的研究调查了海啸对碎石堆防波堤的影响。 Esteban等人[2] 通过物理模型实验研究了碎石防波堤防护装甲对海啸袭击的稳定性。 Guler等人[3]。 作为本研究的参考文献，研究了在海啸袭击下选定的碎石堆防波堤的性能作为案例研究。此外，Harbitz等人[4] 测试了与Guler等人使用的横截面类似的横截面。另一方面，Sakakiyama [5] 提出了调查海啸传播领域的物理和数值实验一个碎石堆防波堤。 在Sakakiyama的数字部分[5]，解决雷诺平均Navier-Stokes（RANS）方程和使用流体体积（VOF）方法进行自由表面追踪的数值模型[6] 。在这项研究中，使用被称为IHFOAM的体积平均雷诺平均Navier-Stokes（VARANS）解算器，对碎石堆防波堤的海啸袭击进行了数值评估[7–11]，与Guler等人的物理模型实验进行了比较。物理模型试验集中在位于土耳其马尔马拉海伊斯坦布尔博斯普鲁斯海峡南部入口的海达帕萨港（以下简称海达帕萨防波堤）的碎石堆防波堤。一些研究得出结论认为，马尔马拉海发生了35次海啸[13,14] 包括最近的1999年马尔马拉赛事[15-17]。物理模型实验[3] 在港口和机场研究所（PARI）105米长的波浪进行的实验包括孤波和海啸悬浮实验。孤波实验旨在了解类似海啸的长波的影响，并找出相关的海啸悬空高度。但是，Madsen等人[18] 总结认为孤波不能充分代表海啸的影响。Arikawa等人[19] 由于海边和防波堤港口之间的水位差异，防波堤的稳定性取决于海浪的持续时间。 因此，Guler等人[3] 除了进行孤波实验之外，还使用海啸过度试验来了解海啸袭击期间海啸持续时间和海啸对选定海岸结构的作用机制的影响。
选定的孤立波和海啸覆盖实验被模拟用于数值求解器的校准和验证。 根据波浪水面高程和速度测量数据和实验结果进行比较，计算防滑和翻转安全系数的时间变化，评估防波堤顶壁的稳定状态。 除了模拟孤波和海啸过度实验外，还根据Aytore等人的数值海啸评估研究数据，提出了Haydarpasa地区潜在海啸的模拟。[20]. 潜在的海啸模拟旨在通过数值模拟来扩大对碎石堆防波堤海啸袭击的认识，因为用现有技术不可能在波浪。
数值评估研究表明，可以精确模拟沿波浪和防波堤的水动力。另一方面，可以定性评估孤波情况下的稳定条件，因为防波堤顶壁周围的压力决定了顶壁的滑动和整个横截面的失效。此外，海啸过程中海流持续时间的影响不能用现有的数值工具来模拟，因为它不能直接评估作用在碎石堆防波堤结构单元上的力; 并因此将它们的运动作为一种功能的时间。 然而，作为工程应用，通过评估作用于防波堤后侧的冠墙后的单个石块上的力，仍然有可能讨论海啸总体横截面的稳定性。
本文的结构如下：在简要介绍之后，对实验的概述以及用于数值模拟的选定实验案例在Section2. 接下来，数值模型，计算域，模型参数和边界条件将在部分中介绍3. 部分4 介绍了数值模拟的结果，以及Section5 讨论了这种类型的数值研究可能的工程应用。 最后，结论在第一节中介绍6.
1.物理模型实验概述
Guler等人[3] 同时使用孤波和海啸溢流测试来更有效地反映海啸的影响; 从而了解海啸袭击下防波堤的失效机理。在这些实验中，活塞式波浪发生器产生孤立波，防波堤顶壁上的恒流，即海啸淹没，通过入口处的泵从入口泵出，并由出口处的另一泵泵出。 由于海啸过后时间的流逝，海啸可能比孤波更具破坏性。
这些物理模型实验是在日本的港口和机场研究所（PARI）的105米通道中使用1:30的Froude型模型进行的。在实验中，分别用八个波形测量仪（WG）和三个声学多普勒测速仪（ADV）测量水面高度和流速。通道的尺寸，波形表和ADV的位置显示在图1，并给出了碎石防波堤的侧视图图2表明横断面上的工作组和工作组。
Guler等人的三个实验[3] 被选定用于数字模型的校准和验证。 选择H=7.5 cm和H=10 cm波高的孤立波试验分别用于校准和验证数值模型。在参考实验研究[3] 在本研究中，这些实验是根据在物理模型实验的波校准阶段期间构造截面之前在WG6处产生的孤立波高命名的。 然而，在实际实验阶段，我们使用测量的实验数据在横截面构建之后校准和验证数值模型。 由于与风浪相比，孤立波是非常长的波，所以当横截面末端存在这样的障碍时，孤立波的波高会增加。 因此，读者可能观察到比实验的名称更高的孤立波高，比较物理模型实验和其他部分中的数值模拟。 水面高程时间序列数据没有碎石堆防波堤也被绘制在WG1到WG7中，以澄清沿波浪的孤立波高。 第一个孤立波试验（H=7.5厘米）导致横截面轻微损伤（几块石头的移动），而第二次孤立波试验（H=10厘米）完全通过滑动截面完全破坏的冠墙。 另一方面，选择1.9米高的海啸溢流试验来延长关于流动时间的讨论，该流动时间导致由于冠壁滑动而导致完全失效。 此处的海啸溢流高度定义为顶壁顶部与WG8测量的顶壁水面高度之间的距离图1和2。此外，所有海啸覆盖实验的结果都用于实际工程应用的讨论。 来自孤立波（H=10厘米）和海啸悬垂实验（h=1.9厘米）的快照在图3。
图1.波浪槽的横截面图（尺面以米为单位给出）
图2.碎石堆防波堤更接近的侧视图（尺寸以米为单位）
- 孤波情况（H=10cm），（b）海啸覆盖情况（h=1.9cm）的温达尔帕防波堤冠墙故障的快照
图5.计算域的侧视图（图不按比例）
1.1数值模型的描述和设置
由于目前的研究评估了对碎石堆防波堤的海啸袭击，因此必须解决多孔介质内部的流失问题。 最近Losada等人提出了一篇关于该主题的广泛综述文章。[21], 处理多孔海岸结构内的多孔介质流的方法被分组为宏观和微观方法。 宏观方法解决了多孔介质内平均流动特性的修正流动方程，无视实际几何结构（等等）[9,10,22,23]）。 以宏观方法准确捕获平均流量特性; 然而，与多孔介质不均匀性和孔不规则性相关的小尺度变化是平滑的。 另一方面，通过在微观方法中构建计算域内的结构单元的实际几何结构来模拟多孔介质内的流动。 例如，Dentale等人[24,25] 采用微观方法解决了摩擦磨损的内部装甲单元的流动问题， 数值模型和模拟的细节在本节中介绍。
1.2数值模型：IHFOAM
本研究中使用的数值模型是开源CFD工具箱IHFOAM，它最初是由Higuera等人在OpenFOAMreg;环境中作为波的产生和吸收边界条件而开发的。[7]. 它成功地应用于Higuera等人的几个沿海工程问题。[8]. 后来，Higuera等人[9] 进一步发展IHFOAM引入基于OpenFOAMreg;的interFoam求解器的数值求解器来求解多孔介质中的流动性质。 这个新的求解器被应用于Higuera等人的几个测试案例。[10]. 最近，一个新的边界条件被添加到IHFOAM中，用于移动边界的数字波[11].
OpenFOAMreg;的interFoam求解器以三维方式求解两个不可压缩相的雷诺平均Navier-Stoke（RANS）方程，自由表面由Rider和Kothe给出的流体体积法（VOF）[26]. 另一方面，IHFOAM解决了del Jesus等人提出的VARANS方程。[27] 用于自由表面的多孔介质。VARANS方程取代多孔介质内部的RANS方程，它们相当于多孔介质外部的RANS方程。 这些方程包括质量守恒（方程(1)), 动量守恒（方程(2)), 和VOF对流方程（方程(3)).
在这些方程中，ui是第i个坐标（xi）的扩展平均或达西速度; n是孔隙度，定义为总体积上空隙的体积; p是压力; p是密度; g是重力加速度; EFF是有效的动态粘度，定义为EFF= PVTURB式中是动态分子粘度，vTURB是由选定的湍流模型计算出的湍动粘度。 和一个是VOF功能。 当单元格充满水时，VOF函数的值为1; 另一方面，当单元格为空时，它的值为0。A，B和c是与体积平均时无法解决的物理相关的闭合参数。A，B和c分别说明了由于多孔介质的各个元素引起的摩擦力，压力和附加质量。 A和B的公式分别在方程式中给出。(4) 和(5) van Gent [28] 从Engelund提出的描述中修改[29].
其中a和b是摩擦参数;Dn50是材料的标称平均直径; 由于系统的振荡性质和不稳定性，KC是Keulegan-Carpenter号码引入额外的摩擦：
其中T0是振荡的周期，并且uM是最大振荡速度。
求解VARANS方程时，必须校准摩擦参数a和b。 全面的文献回顾介绍在洛萨达等人。[21] 在多孔介质流数值模拟研究中使用的a和b的值。 德尔耶稣等人。[27] 已经表明c在大多数情况下并不重要，并且建议将其值设为0.34 [9].
OpenFOAMreg;采用独特的两步法，称为PIM-PLE来求解Navier-Stokes方程。 PIMPLE是通过合并压力隐式分割算子（PISO）[30] 和压力连接方程的半隐式方法（SIMPLE）[31] 算法。 读者请参阅Moukalled等人。[32] 有关PIMPLE方法的详细信息。从而，这些湍流模型在多孔介质内部和外部起作用。
1.3建立数值模型
在这项研究中，二维（2D）计算是在数值箱中进行的，因为物理模型实验也是二维的。 虽然实验中波的长度为105 m，但计算域的长度（水平方向，x）被选为33.3米以减少计算时间。 域的高度（垂直方向，z）选择为1.95米，并且考虑2D模拟时，宽度（垂直于水平面的方向，y）限制为一个单元格。图4显示计算域的侧视图。在整个计算域中使用沿着x轴1厘米和沿着z轴0.5厘米的恒定网格尺寸。 在冠墙周围进行额外的修补，结果为0.5厘米。选择入口边界条件作为WG1处的测量表面高度和ADV1处测量的孤波实验的当前速度。 另一方面，对于海啸过度试验，入口边界条件被迫为水面高度和粒子速度分别反映WG1和ADV1的趋势。 由于需要过多的计算时间才能达到稳态条件，即恒定超载，所以测量的水面高度和粒子速度不能像单独波那样输入。 相反，水面高度和粒子速度比物理模型实验更快地增加到预期水平作为入口边界条件。 对于侧重于感兴趣区域的潜在海啸的最终模拟，将水面高度和正弦波的粒子速度用作入口边界条件。 有关入口边界条件生成的细节将在第2节讨论4.4. 此外，吸收边界条件设置在所有模拟的入口和出口处。 上边界被认为是#39;大气#39;，而底部边界被定为#39;墙#39;。最后，将y方向上的侧壁类型选择为“空”。 使用“空心墙”在OpenFOAMreg;环境中沿一定方向转换仿真到2D计算，因为动量方程不能在那个方向上求解。
模拟持续时间选择为孤立波实验30s，海啸超载实验25s，潜在海啸案例50s。 在12个线程上的计算时间（Intelreg;Xeonreg;E5-1650 v3 3.5 G
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