浅海结构物波浪力计算及实验研究

应用椭圆余弦波理论、双曲波理论及孤立波理论对作用于浅海海洋结构物的波浪力进行了计算 ,并在造波水槽中进行了波浪力及波压力实验研究。运用实验结果对传统的计算方法进行了修正 ,提出了静水面以上波压力的修正公式。研究表明 ,应用椭圆余弦波理论和双曲波理论计算理论波压力并对其进行修正 ,再将积分上限取为瞬时波面 ,积分后得出的波浪力与实验结果很接近。     

双墩柱波浪渗流力

计算了在线性波或椭圆余弦波作用下双圆墩柱波浪渗流力，讨论了双墩 柱沿波向串列和并列布置时墩柱上渗流力随墩距的变化．计算中在内域采用 有限元方法，在外域使用了本文给出的外场解．进行了双墩柱波浪渗流压力 测量的模型实验．渗流压力的计算结果与实验结果符合较好．     

斜入射椭圆余弦波对直立防波堤的波浪渗流作用

基于椭圆余弦波的浅水波理论,结合对Biot波浪渗流固结理论的推广应用,给出了固立于可渗透海床上的直立防波堤在浅水波斜入射条件下的反射波问题的数学解,并据此通过特征函数展开法推导了浅水波引起的海床内渗流压力的解析解式,同时计算了作用于防波堤底部的浅水波波浪渗流浮托力和倾覆力矩且与水平波浪力和力矩进行了比较。计算结果表明,在一定条件下,椭圆余弦波的波浪渗流载荷与波浪的直接载荷可能具有相同量级。浅水波入射角、海水和渗流条件以及防波堤几何条件等因素的相对变化对波浪渗流载荷均存在一定的影响,其中对渗流倾覆力矩的影响更为明显。椭圆余弦波理论所给波浪渗流载荷的估值明显高于浅水条件下Airy波理论的对应估值,反映了水波非线性因素的影响效应。     

椭圆余弦波在工程上的应用

本文扼要地介绍了椭圆余弦波理论的主要结果．利用这些结果分析了浅水波浪的水面流速和水底流速与微幅波理论的差别．得出了一些有意义的结论。 文中给出了应用椭圆余弦波理论计算浅水中波浪传插时的变形——波高浅水系数们及波长浅水系数 ＫＬ的程序框图．将按此程序计算的结果与微幅波理论进行比较，分析了它们的差别，从而得到了一些有意义的结论． 为了便于工程设计应用，文中提供了计算椭圆余弦波要素的关系曲线。     

作用于透空圆环墩柱的浅水波绕射波浪力与波浪渗流力

透空结构具有降低海浪作用的功效。该文基于椭圆余弦波一阶分量的浅水波理论和Biot渗流固结理论,分别推导了浅水区固立于可渗透弹性海床上透空圆环墩柱的绕射波浪压力以及由波浪所致海床内渗流压力的数学解,并据此对墩柱所受绕射波浪力与力矩以及渗流浮托力与倾覆力矩进行了实算。结果表明,海况条件和结构参数的变化对波浪所引起的各种载荷存在不同的影响效应,波浪渗流力与波浪直接作用可能具有相同量级。圆环柱外表面的可渗透性对浅水波的直接波浪作用具有明显的减弱效应,而对渗流倾覆力矩也具有一定的减弱效应。此外,圆环墩柱内外柱半径比存在优化取值,以使墩柱达到减载和稳定的双重效果。与Airy波浪理论计算结果相比,浅水波理论的结果能有效反映水波非线性因素的可能影响。     

浅水区海底埋设管线上非线性波浪力

在设计埋入海底的管线时 ,波浪引起的渗流力是必须考虑的主要环境因素之一 .基于一阶近似椭圆余弦波理论研究了浅水区非线性波浪对海底埋设管线的作用 ,求得了作用于管线上的渗流压力解析解 ,并同线性波浪理论结果进行了比较 .计算结果表明 ,当 L/d较大时 ,非线性结果远较线性结果大 ;当 L/d <8时 ,两者相差不大 .此外 ,土参数 Cs的影响也很显著 ,当 Cs值在单位量级左右时 ,非线性波浪力可达到最大值     

椭圆余弦波作用下海床的响应

根据椭圆余弦波理论,计算了在滨浅海区域波浪作用下海床表面的波压力.通过参数分析,研究了海床弹性参数、渗透性以及孔隙水的压缩性对椭圆余弦波作用下海床孔压响应的影响.研究表明：孔隙水的压缩性、海床的渗透性、剪切模量、泊松比对海床的孔压响应有明显的影响,海床的渗透各向异性对孔压响应影响较小.
     

破波区内波高衰减及其特性

本文从流体力学的基本方程出发,利用破波现象和明渠水跃现象的相似性,推求了破波的能量损失和波高在破波区的衰减规律;应用椭圆余弦波理论的数值计算方法,探讨了破波区内击岸波的各种特性,包括波能、相对波峰高度、辐射应力、波浪破碎前后的增水和减水及它们在整个破波区内的分布规律.按文中方法求得的计算值与实验结果相符.     

可渗透型结构的非线性水波绕射作用问题

含孔型结构的可渗透性具有对波浪的减弱效应,研究非线性波对该类结构的绕射作用机制有重要意义。分析了椭圆余弦波、孤立波以及STOKES二阶波对可渗透圆柱群结构的波绕射问题,给出了各类波对结构的绕射势解及STOKES二阶波对结构绕射作用的积分解式。     

椭圆余弦波作用下考虑桩身振动的桩-土相互作用

针对海洋中浅水区域的单桩基础,建立了包含波浪、海床和单桩的三维数值模型,考虑浅水环境中椭圆余弦波与海洋风浪引起的桩身振动的共同作用,研究了桩-土耦合系统的动态响应问题.其中,波浪模型的椭圆余弦波采用Navier-Stokes方程控制,海床模型视为各向同性的多孔介质,并采用Biot方程模拟土体与孔隙水的动态响应,单桩视为可变形弹性体,并引入周期性的水平位移来模拟桩身振动.同时,在验证模型准确性的基础上,分析了椭圆余弦波作用下桩身位移、桩周的海床孔隙水压及海床液化等变化情况,并对波浪及海床的主要特性参数进行了分析.结果表明:桩身振动会导致桩顶区域的海床孔隙水压出现局部变化,并使孔隙水压沿海床深度方向的减小趋势变缓;波浪与海床的特性参数对孔隙水压的分布影响显著.     

斜坡床面潜堤作用下的波浪传播变形

以斜坡上梯形潜堤为研究对象,在波浪水槽实验的基础上,分析斜坡上潜堤对规则波和椭圆余弦波传播变形的影响．通过分析潜堤前后波面的变化情况来研究波浪外观形态的改变,利用谱分析来研究波浪内部能量的改变．研究结果显示,由于斜坡床面潜堤的浅化作用,波浪不对称性加剧,波能在潜堤处急剧衰减．     

源造波法在三维完全非线性数值波浪水槽中的应用

为消除波浪在水槽出流边界的反射及波浪遇到结构物后在入射边界形成的二次反射,基于时域高阶边界元方法建立三维完全非线性数值波浪水槽模型:利用源造波法产生入射波浪,采用人工阻尼层技术消除波浪反射及二次反射;建立水槽的格林函数并应用于整个计算域,消除水槽两侧壁和底面的积分,减少了计算量.利用所建模型分别对规则波和不规则波的数值实验表明,数值结果与理论解吻合良好,且在出流边界和入射边界均无反射现象.     

有限振幅波对复合圆柱绕射波浪力的实用算法

提出了有限振幅波对复合圆柱绕射波浪力（矩）的一种实用计算方法．在Ｓｔｏｋｅｓｎ阶绕射波速度势已定条件下，用此法可对ｎ＋１阶水波所致波浪载荷进行积分形式的工程估算．实算中对慢收敛的无限自由表面积分可采用数学上的渐近方法化简运算；对直立圆柱第２阶波浪力的实算结果与有关实验数据吻合良好．     

数值波浪水池中航行船舶绕射问题的数值模拟

基于计算流体力学（CFD）方法建立了数值波浪水池（NWT）,并对波浪生成传播和波浪中航行船舶波浪绕射问题进行了数值模拟.讨论了适合航行船舶绕射现象模拟的波浪环境表达,验证了参考坐标系下NWT中波浪生成、传播和消波等,模拟计算了多个航速顶浪和斜浪航行的拘束Wigley III船模在不同波长的规则波中运动时所受的波浪力（矩）.通过与势流理论结果和Delft University of Technology（DUT）试验结果的比较显示,NWT方法计算的结果与两者的结果吻合良好;比实验更易实现和控制;能描述船舶周围的流场,在船舶水动力性能的分析和运动预报等方面具有广阔的应用前景.     

基于KdV方程的浅水畸形波演化特征

为了研究高斯脉冲型畸形波解的演化特征,运用虚拟波谱法数值求解KdV(Korteweg-de Vries)方程。以JONSWAP谱为目标谱,分别以线性余弦波、椭圆余弦波为基础组成波,采用叠加思想模拟随机波列,数值求解了高斯脉冲型畸形波在随机波浪场中的演化特征。采用CMOR小波分析畸形波演化过程中的波数、能量分布状况。模拟结果反映了畸形波生成时的能量集中以及高频能量转移特征。计算随机波浪场中不同参数条件下高斯脉冲型畸形波的持续时间和传播距离,曲线拟合结果表明,畸形波的持续时间与传播距离和高斯脉冲的波幅与脉冲参量之间近似呈二次函数关系。     

椭圆余弦波对薄物体的透射与反射的解析研究

应用渐近匹配法得到椭圆余弦波在二维薄浮体上透射与反射的解析解,给出了透射波波高和相位变化的规律以及反射波的特性,并探讨了浮体与水底间间隙及波长对椭圆余弦波透射与反射的影响.     

波浪作用下的海床响应及其对建筑物稳定性的影响

应用动弹性固结有限元法,求解了随机波浪作用下饱和海床土体中的孔隙水压力、有效应力和位移的瞬态响应,并对海洋建筑物的稳定性进行分析。建立的有限元计算模型中采用了动弹性固结理论和线性渗流理论,海床可为具有任意边界条件的分层分块弹性多孔介质;利用简单条分法对海床和建筑物进行稳定性分析,在滑动面上考虑波浪附加应力的影响。孔隙水压力响应的理论计算结果与模型实验的量测值吻合的较好。计算表明,近海工程中考虑海床土体受到的波浪附加应力时,海床和建筑物的整体稳定安全系数将降低,降低幅度主要与海床面上的波浪压力、海床的渗透性有关。     

多向随机波作用在直立堤上的波浪力

通过三维随机波浪对直立堤作用的试验研究,分析了单位堤长上波浪力的变化规律,着重研究了主波向角和波浪方向分布对波浪力的影响,发现波浪入射角小于45°时,波陡较小的单向波作用力随波向角呈明显的增大趋势.给出了波浪力沿堤长的纵向分布,以及单元堤上波浪力纵向折减系数的计算公式;建议了2种计算斜向波和多向波作用在整个单元堤上最大总波力的方法,可供理论研究和工程设计参考应用.     

扁带拉拔挤压柱坐标应变速率矢量内积

提出以积分中值定理简化应变速率矢量内积的积分方法.将楔形模平面变形拉拔和挤压的等效应变速率表示成二维的应变速率矢量,再用积分中值定理确定应变速率比值函数及该矢量的方向余弦,最后对其内积进行逐项积分并求和,得到了应力状态系数nσ和最佳模角αopt的解析解.通过算例将不同α与m条件下计算的应力状态系数与Avitzur椭圆积分的数值解进行了比较,结果表明:当α=15°,不同摩擦因子m条件下,以该解析解计算的拉拔力与椭圆积分的数值结果相对误差不超过0.05%;ξ(α)值相差不大于0.002;极限道次加工率ε随αopt增大及m减小而增加.     

基于弱非线性假定的船舶波浪增阻数值计算

基于船舶在波浪中运动的势流理论的弱非线性假定,对于船舶在迎浪下的波浪增阻进行了数值计算.数值计算将Maruo波浪增阻理论与非线性船舶运动理论相结合.非线性的船舶运动响应采用时域切片法计算,考虑了Froude-Krylov力与静水压力的非线性影响,辐射力与绕射力则保持线性.在船舶运动结果的基础上应用Maruo公式计算波浪增阻.S175集装箱船的计算结果验证了所采用方法的准确性,同时表明所采用方法能够有效考虑波陡对于波浪增阻的影响.在此基础上进一步探究了航速对波浪增阻的非线性特性的影响.