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.     

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。     

作用于二层海洋中大直径透空圆环墩柱上的波浪渗流力*

基于Biot渗流固结理论与层化海绕射波理论,应用特征函数展开法,研究了二层海洋中立于可渗弹性海床上透空圆环墩柱的波浪渗流力问题,给出了表面波和内波所致波浪渗流压力场的解析解式,由此计算了作用于固立透空圆环墩柱底部上由波浪渗流压力所导致的浮托力和倾覆力矩。计算结果表明圆环柱外表面的透空性对表面波和内波的波浪直接作用具有明显的减弱效应,而对波浪渗流倾覆力矩也具有一定的减弱效应。内波所致波浪渗流倾覆力矩可能超过表面波对应的作用。圆环墩柱内外柱半径比减小对波浪力矩的减弱效应较渗流倾覆力矩更为明显。     

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。     

孤立波对直立防波堤波浪渗流作用的解析计算

浅水波浪在一定条件下可能以孤立波形态与近岸海工设施产生相互作用。该文基于水波反射理论和波浪渗流的Biot固结理论,应用特征函数法,推导了孤立波作用下直立防波堤的反射波速度势和波浪引起的海床内渗流压力分布的解析表达式,并据此计算了作用于直立防波堤底部的由孤立波渗流压力所致浮托力和倾覆力矩。计算结果表明海况与海床条件以及防波堤几何条件等因素的变化对孤立波引起的渗流浮托力和倾覆力矩均有一定影响。在一定条件下,对防波堤的孤立波渗流作用与孤立波直接作用量级相近。与微幅波理论相比,孤立波理论有效反映了浅水波非线性特征的影响。     

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。     

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。     

二层海洋中波浪对透空双圆柱的绕射作用分析

结构表面布孔可以减弱波浪载荷,而海水的层化将导致表面波和内波的二重绕射作用机制。对此,本文分析并计算了在二层海洋条件下大直径透空双圆柱的水波绕射作用,并分别与均匀海中透空和非透空双柱的相应结果加以比较。计算结果表明,在层化海洋中结构物的透孔性对减弱波浪力有一定影响,密度比变化对内波波浪力影响显著。     

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.     

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.     

二层流体中圆弧型贯底式防波堤的绕射波浪力

基于二层流体的水波绕射理论,应用特征函数展开法,推导了圆弧型贯底式防波堤对二层流体中的表面波与内波绕射的波势解,并据此解析计算了作用于防波堤的波浪力和力矩。计算结果表明:二层流体中表面波与内波对防波堤的无量纲最大波浪载荷的影响可以具有相同量级。而波浪入射角度、二层流体密度比、海况条件以及防波堤几何条件等的变化对绕射波浪作用均存在一定的影响,且表面波与内波作用的变化规律存在一定差异。二层流体中表面波作用因内波的干扰而有别于均匀海表面波的对应结果。     

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。     

两层流体中水波与垂直圆柱浮体的相互作用

基于特征函数匹配理论,导出了作用在垂直圆柱浮体上波浪力的计算公式.对于两层流体,除了表面波模态的波浪力外,还有内波模态的波浪力,这与单层流体的情况是不同的.对所建立的求解模型进行了数值计算分析.结果表明,在某个频率范围内,流体的分层效应对垂直圆柱浮体的波浪力有一定影响.     

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     

聚焦波浪对直立圆柱作用的试验研究

为研究聚焦波浪对直立圆柱墩的作用情况,根据波的传播原理,采用JONSWAP谱生成不同参数下的聚焦波浪,用波峰波谷聚焦相加减的方法分析出聚焦波浪对直立圆柱墩的二阶绕射作用强于一阶波浪的绕射作用.波浪涌高数据统计分析表明:波浪涌高随波陡及结构物相对尺度的增大而增大;圆柱周围不同受浪角度的涌高也是变化的.     

流中水平无旋浅水波与大圆柱相互作用

对于流中的水平无旋浅水波动 ,由三维的纳维 斯托克斯方程出发 ,导出了一组Boussinesq方程 .通过求解此方程组可得到一特定水深的水平速度及表面抬高 ,然后即可由解析表示式很容易地求出三维速度分布及压力分布 .用此方法讨论浅水波流绕射垂直穿剌水面大圆柱的波浪力 ,考虑了碎波影响 ,得到了较好的结果 .     

波浪和垂直透空式防波堤相互作用研究

分析了三种安装形式的垂直透空式防波堤在桩吃水、水深比和开孔影响系数变化时所受的波浪力变化,用MATLAB语言编程并计算绘制出透射系数和反射系数曲线。在不规则波的分析中采用谱分析理论,求得水平方向的累积频率波浪力。研究表明:几种安装形式的防波提中,悬空安装的透空式防波堤所受波浪力最小。计算结果可以给防波提的相关设计提供参考。     

珊瑚礁地形上胸墙波浪力大水槽试验

基于大比尺波浪水槽试验,开展了珊瑚礁地形上的波浪与斜坡堤相互作用试验。在不同水深和波浪条件下测量斜坡堤胸墙的水平力和浮托力,并与规范值进行对比。试验结果表明:胸墙的波浪力受波浪破碎后的堤前壅水、破碎波高和水流冲击的共同影响;胸墙水平力呈矩形分布,浮托力呈三角形分布;由于波浪在珊瑚岛礁上传播过程中的能量耗散,平均水平力和前趾浮托力试验结果均小于采用深水波要素计算的规范值,所提出的基于胸墙距礁缘的相对距离和礁盘上相对水深的波浪力修正系数,修正后的公式计算结果与试验值吻合较好。     

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.