华 北 电 力 大 学
毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告[s1]
题目： 海流环境下小尺度桩柱周围的流场分析
学生姓名： 黄海浩 学 号： 1101420106
所在院系： 可再生能源 专业班级： 水电1001
指导教师： 张华 职 称：
20##年 3 月 26 日
一 、选题背景和意义
桩基础是指位于上部结构和地基之间的由桩组成的基础部分，具有高承载力和低沉降的特点，因而在现代建筑工程中得到日益广泛的利用。此外，桩基在抗振动、抗地震、稳定性方面也具有独特的优点，因此桩基基础在大型机器设备基础、高层建筑基础、核电站基础、桥梁基础、海洋平台基础中占有重要地位。桩基础除了接受来自上部结构的静力荷载，还要承受地震荷载。风荷载、波浪荷载等形式的动力荷载，这个课题主要是研究波浪荷载对小尺度桩柱的作用力。
在公路桥梁建设中，桩柱被大量使用，并且承受相当大的水平动荷载（波浪荷载，水流等），但是关于波浪力作用下的桩基研究落后于实践，对于桩基的波浪水平承载特性，迫切需要相应的设计方法和技术措施。因此本课题具有一定的理论和实际意义。二、国内外研究现状
微幅波理论是应用势函数来研究波浪运动的一种线性波浪理论，是波浪理论中最基本、最重要的内容，也是近海工程中应用得最广泛的部分。
Stokes波理论是英国流体力学家Stokes在1887年得到的，在波浪理论中占有重要地位，近海工程计算常采用高阶Stokes波应用于最大波的计算公式。Stokes波没有计及水深变化对结果的影响，只适用于一般水深的情况，对于浅水不再适用。
在浅水情况下，用Stokes波理论不能达到所要求的精度，此时采用能反映决定波动性质的主要因素的椭圆预先波理论描述波浪运动，可以获得较满意的结果。所谓椭圆余弦波是指水深较浅条件下的有限振幅，长周期波。椭圆余弦波是相对正弦波而引入的惯用名称，因为它是用Jacobi椭圆余弦函数表征波动的，最早是由Kortewey和De Vries（1895年）导出。
Gerstner（1809年）的余摆线波理论是从完全不同的角度导出的波浪表达式，它是非线性、有旋的波浪理论。由于它所预报的常压力面的形状是由数学上的余摆线产生的，所以通常又称为余摆线波。与Stokes波理论比较，Stokes波是在无旋的假设条件下导出的，但质点轨迹并不封闭，沿波浪传播方向有水质点运动，从而产生质量运输现象。而余摆线波中，质点轨迹是封闭的圆，不产生质量运输现象，但流场有旋。
三、设计（论文）的主要研究内容及预期目标
本次通过物理模型试验和数值模拟相结合的方法开展对群桩在波浪作用下的水动力特性研究。首先,通过物理模型试验分别研究了规则波和不规则波作用下,五桩结构的群桩效应。规则波部分,以孤立桩桩力为基础,考虑KC数和波向对群桩中各组成桩正向力系数、正向力和横向力之比、合力系数以及群桩正向总力系数的影响,最终给出各个桩桩力分配比例,明确群桩中各组成桩的受力；不规则波部分,在规则波研究内容的基础上,重点研究群桩整体总力达到最大时,各组成桩的受力,并给出各组成桩受力占总力百分比,这样对于不规则波的研究更贴近于工程实际应用,从而为工程设计提供一定的设计依据。其次,数值模拟研究利用Fluent软件,基于粘性不可压缩流体的雷诺时均N-S方程和κ-ε湍流模型,采用有限体积法对控制方程进行离散,建立数学模型；基于质量源造波和动量源消波方法,在连续方程和动量方程中加入造波源项和消波源项,同时采用VOF方法捕捉自由表面,建立三维数值波浪水槽。通过数值模拟二阶Stokes波与理论波对比验证该数值波浪水槽造波和消波的有效性；通过数值模拟孤立桩与波浪相互作用以及群桩与波浪相互作用,将数值结果与实验结果对照,验证该模型在处理三维结构物水动力学问题上的有效性和精确性。再次,基于通过验证的数值模型,进一步开展群桩在波浪作用下的水动力特性研究,在考虑KC数和波向的基础上,同时考虑相对桩距l/D对群桩受力的影响,最后通过对群桩涡量场的分析来确定群桩的受力机理。
本次毕业设计主要是分析均匀流和小尺度桩柱的特征参数，构建ANSYS计算模型； 根据VOF方法，完成均匀流自由表面计算和分析； 完成均匀流与小尺度桩柱的耦合作用数值模拟，得到小尺度桩柱周围的流场分布，以及小尺度桩柱上受力分析、压强分布等。
四、工作进度安排
五、参考文献
[1] 竺艳蓉. 海洋工程波浪学. 天津大学出版社. 1991.
[2] 凌桂龙，丁金滨，温正. ANSYS Workbench 13.0 从入门到精通. 清华大学出版社. 2011.
[3] 傅永华. 有限元分析基础[M]. 武汉大学出版社. 2003.
[4] 黄国权. 有限元方法基础及ANSYS基础[J]. 机械工业出版社. 2001.
[5] 李兵，陈雪峰. ANSYS Workbench 设计、仿真与优化[M]. 清华大学出版社. 2008.
[6] 杨靖培. 基于CFX的波浪水槽数值模拟. 哈尔冰工程大学. 2006.
[7] 张玲. 小直径桩柱波浪荷载的计算分析及程序实现. 中国海洋大学. 2004.
[8] Gao Qiuxin. Numerical Simulation of Free Surface Flow around Ship Hull[J]. Journal of ship Mechanic. 2002,6.
[9] 宋学官，蔡林，张华. ANSYS流固耦合分析与工程实例. 中国水利水电出版社. 2012.
[10] 王焕定，焦兆平. 有限单元法基础[M]. 高等教育出版社. 2002.
[11] Zhang Zhirong，Zhao Feng，Li Baiqi. Numerical Caculation of Viscous Free-Surface Flow About Ship Hull[J]. Journal of Ship Mechanics. 2002,6.
[12]俞聿修 ，张宁 ，赵群．三维随机波浪对桩柱的作用[J]．海洋学
报 ，1998，20(4)：121—132．
[13]詹姆斯 ·莱特希尔．海上构筑物波浪载荷 的一些基本问
题 [J]．力学与实践 ，1990，12(2)：13—16．
六、指导教师意见
宋体，小四号，首行缩进2字符，1.5倍行距。
指导教师签名：
年 月 日
开题报告内容控制在2000字左右