透空双墩柱底部波浪渗流作用的解析计算

直立墩柱(群)是海工建筑中的典型结构,在近岸工程中应用十分广泛.文中基于线性水波绕射理论和Biot波浪渗流固结理论,应用特征函数展开法,推导了固立于可渗透海床上的大直径透空墩柱群所致绕射波浪场引起的海底下海床内渗流压力分布的解析解,据此计算了作用于双圆柱底部的波浪渗流浮托力和倾覆力矩,并与绕射波浪对透空双柱的直接作用进行了比较.计算结果表明:双圆柱侧表面的透空性对波浪直接作用产生的水平波浪力和力矩有明显的减弱效应,对波浪渗流压力所引起的作用于双圆柱底部的渗流倾覆力矩也有一定的减弱效应;海水波浪条件和双圆柱几何条件等的相对变化对波浪渗流作用均存在一定的影响,其中对渗流倾覆力矩的影响更为明显;在一定条件下,波浪引起的渗流作用与绕射波浪的直接作用具有相同的量级.此外,与密实双柱相比,圆柱结构表面透空将使两柱波浪渗流载荷随相关参数的变化形态更趋相似.     

畸形波作用下海洋平台小尺度杆件波浪荷载分析

为准确计算复合结构中小尺度杆件上的波浪荷载,不仅要考虑入射波浪作用,还应该考虑大尺度结构物对波浪的绕射以及辐射影响.以畸形波对固定圆柱作用产生的绕射场为例,用Morison公式计算绕射场作用下细小杆件的波浪荷载.用高阶边界元法建立波浪对结构物作用的时域计算程序,利用积分方程求域内水质点由绕射势产生的速度和加速度.结果显示,在一定波浪条件下,杆件上的总波浪力为入射波浪力的1.2倍.因此,在工程中应充分考虑复合结构中由于大尺度结构物存在产生的绕射和辐射作用对细小杆件的波浪力.     

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。     

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．     

大尺度结构物附近小尺度杆件上波浪力的时域分析

为准确计算复合结构中小尺度杆件上的波浪荷载,不仅需考虑入射波浪的作用,还应该考虑大尺度结构物对波浪的绕射以及辐射的影响.本文以波浪对固定圆柱作用产生的绕射场为例,用Morison公式计算绕射场作用下细小杆件的波浪荷载.用高阶边界元法建立波浪对结构物作用的时域计算程序,利用积分方程求解域内水质点由绕射势产生的速度和加速度.结果显示,在一定的波浪条件下,考虑绕射波浪力得到的总力可达到入射波浪力的2倍.因此,在工程中应充分考虑复合结构中由于大尺度结构物存在而产生的绕射和辐射作用于细小杆件的波浪力.     

尺度参数对海上风机基础结构波浪力特征的影响

为适应大容量海上风机的承载需求,支撑机构的尺度越来越大,在水动力学上可能介于小尺度和大尺度之间.对于这类中等尺度的结构,其波浪力的组成和计算方法对于海上风电工程设计十分重要.本文通过建立数值波浪水槽,对直立圆柱在线性波条件下的波浪力进行数值模拟研究.通过分别求解带自由面的Navier-Stokes(N-S)方程和Euler方程,准确分离黏性力与惯性力,详细探讨了黏性力和惯性力随圆柱尺度比的变化规律,给出了各自表现显著的尺度区间,定量分析了忽略黏性力或绕射力产生的误差.据此提出了中等尺度的概念,并给出了不同尺度结构波浪力的计算方法.     

作用于透空复合圆柱的波浪渗流力的解析计算

基于Biot渗流固结理论和水波绕射理论,应用特征函数展开法,推导了对应透空复合圆柱的绕射波势和波浪引起的海床内渗流压力分布的解析解式,由此计算了作用于固立透空复合圆柱底部上由波浪渗流压力所导致的浮托力和倾覆力矩,并与水平和垂直绕射波浪力和力矩进行了相应比较。计算结果表明,复合柱上部圆柱侧表面的透空性对水平方向的波浪直接作用有明显的减弱效应,对波浪渗流倾覆力矩也有一定的减弱效应,而对垂直方向的波浪直接作用及波浪渗流浮托力影响较小。海况条件和复合圆柱几何条件等因素的相对变化对波浪渗流作用均存在一定的影响,其中对渗流倾覆力矩的影响更为明显。在一定条件下,波浪渗流作用与绕射波浪作用可以具有相同的量级。     

大数量圆柱绕射问题递推算法的理论基础

利用单根圆柱绕射问题的特征函数展开解,直接构造出浪散射的传输矩阵,进而利用Ｂｅｓｓｅｌ函数和Ｈａｎｋｅｌ函数的平移公式,对水波动力学问题建立了大数量圆柱波浪绕射的递推算法。作为算例,就不同方向、不同波数入射波情况下的双圆柱绕射问题进行了具体计算,并将计算结果与多柱绕射问题截面周线波动源分布法的结果进行了比较,计算比较表明,文中建立的大数量圆柱绕射问题的递推算法是有效的。该算法可以进一步拓广至其他形     

水流、波浪作用下复杂桥墩动力响应

为了明确水流和波浪作用下复杂桥墩动力响应特点,以某4柱桩柱式框架墩连续梁为依托,运用ANSYS建立桥梁（墩）-水耦合数值分析模型,分析桥墩在水流作用下绕流,对单墩和桥跨结构中该墩在不同流速、不同波高以及波、流联合作用动力响应进行研究。研究表明：绕流分析显示各墩柱速度场和压力场不对称;水流单独作用时,动力响应均随着流速和水深的增加而增大;与单墩相比,由水流产生的桥梁结构中桥墩动力响应小,且动力响应随流速和水深增加而逐渐增大;波浪单独作用时,单墩和桥梁结构中桥墩的动力响应均在波峰作用时产生最大值,在波谷作用时产生最小值;随着波高增加,桥墩和桥梁动力响应在波峰和波谷处动力响应最值随之增大;随着入水深不断增加,波浪对单墩和桥梁结构中桥墩的动力作用越显著;波、流联合作用时,桥梁结构中桥墩动力响应均随着波高和水深增加而增加,波峰时动力响应最值随着流速增加而增大,波谷时动力响应最值随着流速增加而逐渐减小,水流影响系数最大12.96%,表明波浪在动力响应中起主导作用;波浪波向和水流流向相同时,波、流联合作用动力响应并非两者单独作用叠加。     

二层流体中透空大直径桩柱的波浪特性分析

 采用典型的海工结构物——大直径垂直圆柱研究层化海洋中波浪对透空结构物的绕射作用。通过分析二层海洋条件下边值的匹配问题,利用特征函数法提出内、外流场流体绕射势解析解,并在二层海况下计算透空圆柱所受水平波浪力及柱内、外的自由波面波浪爬高。计算结果分别与均匀海中透空桩柱和二层海中非透空桩柱的相应结果加以比较,分析得出在层化海洋中结构物的透空性对减弱波浪力和波浪爬高有很大影响。     

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。     

振荡浮子式波能装置波浪爬升特性试验

 复杂海洋环境下振荡浮子式波能装置与波浪相互作用过程中,浮子迎浪侧会发生波浪爬升等非线性现象,严重时波浪会越过浮子顶部,这对波能装置的发电效率及工作性能产生不利影响。设计并进行了规则波作用下垂荡浮子迎浪侧波浪爬升特性的物理模型试验,探讨了波浪周期、常数PTO（能量摄取,power take-off）阻尼以及不同周期下改变常数阻尼对波浪爬升特性的影响。研究结果表明,波浪周期较大和PTO阻尼较小时,有利于降低浮子迎浪侧的波浪爬升幅度;波浪周期较小时,改变PTO阻尼对迎浪侧的波浪爬升幅度影响较小。     

二层海中立于可渗透海床上的大直径墩柱的波浪渗流力

 应用特征函数展开法,研究了作用在二层海洋中立于可渗弹性海床上垂直圆柱的波浪渗流力问题,给出了由表面波和内波分别所引起的渗流压力场的解析解式,由此推导了作用于固立墩柱底部上由波浪渗流压力所导致的浮托力和倾覆力矩算式,并进行了相应的计算。计算结果反应了二层海中渗流波浪力的各种可能变化趋势,说明内波对波浪渗流力可能存在明显影响。     

短峰波与圆弧型贯底式多孔介质防波堤相互作用研究

将比例边界有限元法(SBFEM)推广到短峰波与圆弧型贯底式多孔介质防波堤相互作用研究中.将圆弧延伸构建一个虚拟圆柱面,对于圆弧段与圆弧延伸段,分别采用不同的孔隙影响系数.该圆将整个流场划分成一个无限子域和一个有限子域,并利用变分原理在各个子域上推导了SBFEM的基本方程.然后,SBFEM针对无限域和有限域分别采用汉开尔函数和贝塞尔函数作为基函数来求解对应域的解,并在公共圆边界处加以匹配.数值计算验证了该方法是一种利用很少单元离散虚拟圆便能得到精确结果的高效方法.进一步给出了不同波向入射、相对波数、防波堤不同孔隙影响系数、不同张角等参数对防波堤波浪荷载、波浪爬升的影响,这为该类防波堤水动力分析和结构设计提供了有价值的参考.     

孤立波通过透水潜堤水动力特性试验

基于波浪水槽试验,对孤立波通过潜堤的传播变形、透射系数和波浪爬高开展研究,分析了潜堤消浪效果、波浪爬高与相对堤顶水深和潜堤透水率的关系．研究结果表明,在相同透水率的条件下,透射系数随着相对堤顶水深的增大而增大．波浪爬高明显随着入射波高的增大而增大,并且成线性趋势,在同一透水率下,波浪爬高随着堤顶水深的增大而增大．     

水流对立柱周围波浪爬升特性的影响

基于雷诺平均Navier-Stokes方程和连续性方程建立适用于波浪与水流相互作用的三维数值波浪水池,并在该数值波浪水池内对立柱周围的波浪爬升效应进行数值模拟;选用不同的波流组合方式,探讨了水流速度对柱体周围的波浪爬升效应及其所受载荷的影响,并与波浪单独作用时立柱周围的波浪爬升情况进行对比,分析了水流对柱体周围波面的扰动和水质点运动轨迹的影响.同时,对波浪单独作用下,立柱近壁面处的波浪爬升效应进行了模型试验,以验证数值计算结果的准确性.结果表明,其计算值与试验值吻合较好.     

内波孤立子的非波导荷载计算

为全面分析不同形态内波的危害,将孤立子视为非波导内波的一种情况,以70 m水深浅海Holmboe密度分层和5 m直立圆柱为例,应用内波垂向结构Sturm-Liouville控制方程的模态分析方法计算了不同模态下的孤立子内波荷载．结果表明,孤立子内波具有阵发性和与模态相关的剪切,其荷载较波导内波的情况大一个量级,是形成内波危害的主要形式．