浅海结构物波浪力计算及实验研究

应用椭圆余弦波理论、以曲波理论及孤立理论对作用于浅海海洋结构物的波浪力进行计算,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,静水面以上波压力的修正公式,表明,应用椭圆余弦波理论和双曲线理论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.     

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．     

潜体在不同浪向的双色波中受到的二阶慢漂力

为了采用谱分析方法预报海洋结构和船舶在随机海浪中所受的二阶波浪力,必须先求得海洋结构物和船舶在任意单色波和双色波中受到的二阶波浪力,本文基于严格的量级分析,对有航速的细长体（浮体或潜体）,建立由不同浪向双色波作用在细长体上产生的二阶波浪力的切片理论;并考察了不同浪向的双色波作用在椭球体上产生的慢漂力及其在不同的频率以及浪向角组合下的变化规律。     

基于流函数理论的近海风机非线性波浪荷载计算

近海风机多建于近海浅水区,波浪荷载非线性特性较为明显.基于流函数理论研究了高阶非线性波浪速度场和加速度场的特性.基于Morison方程和流函数理论计算了近海风机非线性波浪荷载,并研究了波浪自由面对近海风机非线性波浪荷载的影响,同时探讨了不同桩径时浅水区非线性波浪荷载的特性.为了验证计算结果的正确性和对比波浪的非线性特性...     

作用在直立桩柱上的破碎波浪力研究

采用理论分析与实验相结合的方法,对现有的计算作用在直立柱体上的破碎波浪力的各种方法(莫里森公式、冲击绕流法)特点进行了分析。提出了计算破碎波浪力的绕流绕流冲击法,并给出了计算实例。结果表明,用绕流绕流冲击法计算出的破碎波浪力比常规波浪力大约3倍,约为冲击绕流法的2倍。实验结果证实了此法的正确性。本研究可为新滩海海洋结构物的设计和现役结构的安全使用提供理论依据。     

浅水浮式生产储油系统二阶波浪慢漂力数值计算

应用三维线性势流理论和Ir.J.A.Pinkster的近场分析方法,对32万t级超大型浮式生产储油系统（FPSO）的二阶波浪力进行了数值仿真分析,研究了浅水情况下不同水深对FPSO二阶波浪力的影响,并与实验规律进行了比较,对浅水油田中FPSO的设计应用有一定的实用意义.     

张力腿平台内孤立波载荷及其理论模型

在大型重力式密度分层水槽中,对内孤立波作用下张力腿平台的载荷特性开展了系列实验.基于两层流体内孤立波KdV(Korteweg de Vries)、eKdV(extended KdV)和MCC(Miyata Choi Camassa)理论,建立了张力腿平台内孤立波载荷的理论模型,给出了该理论模型中三类内孤立波理论的适用性条件.研究表明,张力腿平台的内孤立波水平载荷包括立柱与沉箱部分的拖曳力和惯性力,可由Morison公式进行计算,而其竖向载荷主要为竖向Froude Krylov力,可以通过内孤立波诱导动压力在立柱底部及沉箱上下湿表面进行积分计算.系列实验结果表明,在Morison公式中的拖曳力系数与内孤立波诱导速度场的雷诺数之间为指数函数关系,惯性力系数与KC(Keulegan Carpenter)数之间为幂函数关系,而且基于所建立理论模型获得的张力腿平台水平力、竖向力及其力矩的计算结果与系列实验结果吻合.本项研究在系列实验基础上,为海洋工程张力腿平台的内孤立波载荷预报提供了一个实用的理论计算模型.     

作用在离岸结构物上的二阶漂移力

应用远场方法计算了作用在船舶及离岸结构物上的二阶稳态横漂力。用源汇分布 法计算浮体运动在无穷远处产生的辐射波及绕射波波幅。对于双体船剖面，公式中计 入了双体之间的水动力干扰效应。对Ｌｅｗｉｓ型船体剖面及两艘半潜式平台进行了计 算，计算结果与试验结果的吻合程度是令人满意的。     

黏性水波场和水平方柱波浪载荷的数值模拟

随着海洋工程的快速发展,作用在建筑结构上的波浪力问题得到了广泛的重视．以N—S方程为控制方程,VOF法追踪自由面,通过在动量方程中加入简单动量源,建立了具有造波和消波功能的二维数值波浪水槽,模拟了水平方柱的波浪受力．通过实验验证：采用1倍波长造波区源项造波效果较好,解决了计算域内障碍物的二次波浪反射问题;光滑水平方柱的Morison公式推荐系数为CD=2．05和CM=1．9;作用于柱体上的黏性剪切力很小,可以忽略不计．表明建立的数值波浪水槽可用于水平方柱的波浪受力模拟。     

一种简易单点系泊系统的可行性研究

针对渤海海域海上油田的开采,提出了一种简易单点系泊系统,并在考虑风、浪、流三种截荷同时的作用的情况下,对该系统的可行性从总体上加以论证,利用设计谱理论计算油驳的波浪诱导纵荡和,利用经验公式计算油驳风力和流力,将以上三种力线性叠加得系泊力;利用设计波理论,由Ｍｏｒｉｓｏｎ公式计算平台自身所受波浪力,利用经验公式计算风力,在考虑平台同时受到系泊、力、波流力、风力的作用下,计算平台的结构应力,最后选用Ａ     

非线性海浪载荷谱的研究

应用Hemite多项式.对非线性海浪阻力进行了分析.研究表明.非线性阻力线性化后.计算值比实际值小.其均方误差约为10％.这对于海洋结构物的设计和使用来说.将是不安全的.为了改进非线性海浪阻力的计算方法.本文首次提出了非线性阻力谱传递函数的概念.并通过数值计算.给出了该函数的经验公式.为非线性海浪阻力的计算提供了简便可行而又比较精确的计算方法.