多向不规则波浪作用下群墩结构上爬高的计算研究

波浪的方向分布对波浪的传播及其与工程结构物的作用都具有明显影响，目前现有的研究大多是基于单向波浪进行的。为了研究方向分布对群墩结构上的爬高影响，基于规则波浪与群墩作用的理论解，结合多向不规则波浪的造波方法，建立了多向不规则波浪与群墩作用的计算模型，同时进行了物理模型试验对模型的有效性进行了验证。系统地对群墩周围及表面上的波浪爬高进行了计算分析，结果表明，方向分布对波浪爬高具有较大的影响，且不同位置处的影响并不相同，在实际的工程设计中如果按照单向波浪计算，可能低估或者高估群墩周围的爬高。     

不规则波作用下圆柱墩群上的波浪力

本文用谱分析方法计算了不规则波作用下圆柱墩群上的波浪力,给出了理论的群墩影响系数,文中对二个墩、三个墩,四个墩的情况分别用P-M谱与Bretshneider谱作了计算,并与规则波结果进行了比较,得到了一些有意义的结果.不规则方法得到的群墩影响系数随着墩间距的增加很快地就接近于弧立墩的情况.一般说来,当墩间距与墩径的比值大于4时,就可以不考虑群墩的相互影响.     

平板对下游方柱流体动力性能影响分析

基于有限体积法求解二维粘性不可压缩Navier-Stokes方程,分别采用层流模型和Realizable k-ε模型研究Re=250和Re=104前置平板与下游方柱间的流动干扰现象,分析不同尺度的平板布置在不同位置时对下游方柱的绕流场及流体动力性能的影响。计算发现在方柱上游布置平板可以有效的控制方柱的绕流场,减小方柱的阻力系数和升力系数;随着平板尺度的增加,方柱的阻力系数、升力系数呈下降趋势;并且存在较好的平板布置区间,可以最大程度的降低方柱和平板的阻力系数及方柱的升力系数,从而达到良好的减振、降噪的效果。     

大尺度圆柱墩群周围的波流场的数值模拟

本文对波流共同作用下大尺度圆柱墩群周围的波流场进行了数值研究。利用波浪弥散关系的迭代计算求得波向与流向的夹角以及波浪的相对频率。流场通过求解浅水环流方程得到,波浪场通过求解含流的缓坡方程得到,通过二者的迭代计算得到大尺度圆柱墩群周围的波流场的耦合解。用有限元法建立了数值模型,并将本文的计算数据与试验数据以及其他学者计算数据进行了比较,结果较为合理。     

基于非线弹性水平地基反力系数的实用群桩分析方法

在NL(Non-Linear Elasticity Horizontal Foundation Coefficient)法的基础上提出了群桩的非线弹性水平地基反力系数实用分析方法,可以使复杂的群桩计算简化为水平地基系数折减后的单桩计算问题,直接采用NL法查表计算。通过实测资料和理论计算值的比较,提出了群桩水平地基系数的建议值。     

潮汐河口桥墩群对波浪传播影响的数值研究

为研究河口桥墩群的消波作用,以李村河口段胶州湾快速路桥墩群为例,建立了基于波作用守恒方程的二维波浪模型,精细模拟了100年一遇高潮耦合100年一遇波高情况下,波浪通过河口桥墩群后波浪变化及波高分布,并利用物理模型试验结果对其进行了验证,二者吻合较好。数值模拟结果显示:桥墩群对河口波浪具有明显的消减作用,其透射系数随桥墩挤压面积比的增大呈线性减小趋势。     

大型桥梁钢沉井下沉过程局部冲刷研究

钢沉井下沉过程中局部冲刷的研究是同类桥墩设计和施工十分关心的重要课题,它对保证钢沉井安全有效施工、桥梁设计中施工期桥墩最大冲深、失稳和安全计算有重要参考价值。通过室内试验研究了钢沉井下沉过程中的局部冲刷机理和冲刷形态,探讨了桥墩下部钢沉井基础施工的相对高程对局部冲刷的变化规律,并将试验研究所获得的局部冲刷规律和影响因素,采用墩型系数方法引入局部冲刷计算中,给出了计算公式。研究成果补充了国家行业规范内容,对同类工程的设计、施工具有借鉴和指导意义。     

作用于小尺度方柱上的正向波浪力

基于扩展的Morison方程和实验研究,深入分析了方柱在波浪(规则波及随机波)与水流场中的正向力受力特性,并对其水动力系数C_d及C_m随KC数和方柱迎浪方向变化的关系进行了详细的探讨,有关成果对工程实际有参考价值。     

抛石基床上圆柱墩底部的波浪浮托力

本文研究了抛石基床内由于波浪引起的非线性渗流的控制方程。抛石基床埋置于可渗可压缩的海床之内,研究了对置于其上的圆柱墩在线性波作用下,非线性渗流对墩柱底部的作用,并得到了它的解析解。应用此解,可以计算作用于抛石基床上圆柱墩底部的渗流压力分布、渗流力(即浮托力)及倾覆力矩,文中还研究了不同的基床相对厚度与不同的墩柱相对半径对渗流作用的影响,得到了一些有意义的结果。     

海洋平台隔水套管群桩性状的研究

海洋平台的隔水套管群桩与土共同作用研究是一个很复杂的课题,目前国内外研究资料甚少,因此在平台导管架设计中,一般不考虑隔水套管群桩承受水平力作用,这与实际不相符合。本文结合工程课题,在调查研究和模型试验的基础上,对隔水套管群桩在水平力作用下的工作性状与破坏机理、群桩的水平力及其主要影响因素、单桩与群桩情况下应力应变关系等方面进行较深入的研究;并提出砂土地基隔水套管群桩效应经验公式,弥补了现行计算方法的缺陷和不足。研究成果可供工程设计参考使用。     

Interaction of oblique waves with infinite number of perforated caissons

An analytic solution based on the division of the fluid domain is developed for the interaction of obliquely incident waves with infinite number of perforated caissons. The whole fluid domain is firstly divided into infinite sub-domains according to the division of structures, and subsequently eigenfunction expansion is employed to represent the velocity potential in each domain. A phase relation is utilized for the analysis of wave oscillation in each caisson, and the character of structure geometry is considered in setting up the mathematical model of reflection waves. The reflection waves from the present analysis include many propagation waves traveling in different directions when the incident wave frequency is high. Benchmark examinations show that the continuous condition of water particle velocity is satisfied at the front walls of caissons, and the reflection coefficients keep agreement with the energy conservation relation very well when porous effect parameter is infinite. Numerical results show that the reflection coefficients of obliquely incident waves are smaller when the length of caissons is shorter at low frequency. The wave reflection coefficients and the wave forces normal to caissons decrease and the wave forces along caissons increase with the increase of the wave incident angle.     

开孔沉箱在斜向入射波作用下受力研究

应用透空壁内流体速度与壁两侧的压力差成正比的线性模型,研究了斜向波与无限多个开孔沉箱的相互作用.依照结构物的几何形状,把整个流域分成无限多个子域,在每个子域内应用特征函数展开法对速度势进行展开.对于沉箱内的波浪运动,引入相位差概念;在构造反射波模型时,考虑了结构物的几何形状影响.列举出物理模型实验结果与数值实验结果的比较,可以看出两者吻合较好.进一步的数值计算验证表明,当孔隙系数无限大时,开孔墙前后的速度非常接近.在低频入射波作用下,垂直于沉箱的水平力随角度的变大而减小,平行于沉箱排列方向的力则变大.     

带横隔板局部开孔沉箱在斜向波作用下的受力研究

基于线性势流假定,对斜向波作用下带横隔板局部开孔沉箱防波堤的水平波浪力进行了理论研究。给出了开孔沉箱法向水平力和横隔板受力的理论计算方法,在极限情况下波浪力的计算结果与文献中的已有结果一致。利用数值算例分析了开孔沉箱总水平力的主要影响因素。开孔沉箱法向总水平力的减小主要集中于结构上半部分波浪影响范围以内。增加单个开孔沉箱的长度有利于减小结构所受总水平波浪力。当波浪入射角或沉箱前开孔墙孔隙影响系数幅值较大时,开孔沉箱横隔板上总水平力的最大值要超过相应的沉箱法向总水平力,此时要注意横隔板的强度问题。     

基于SPH方法的开孔沉箱比尺效应研究

由于在前壁上设置了尺寸较小的孔,开孔沉箱受流体黏性力作用显著,依照弗劳德数相似准则设计模型存在比尺效应。为揭示比尺效应,建立了模拟波浪与开孔沉箱相互作用的光滑粒子流体动力学(SPH)模型。其中流体运动由连续性方程和Navier-Stokes方程控制,固壁边界由改进的动力边界粒子施加。模型收敛性通过分析不同粒子分辨率下的波浪反射系数得到,模型精度通过比较计算与理论波浪反射系数证明。使用经过验证的SPH模型,计算并比较了不同几何比尺和开孔率下开孔沉箱附近的涡量场、箱体外侧的波面时程曲线和波浪反射系数。结果表明,随着模型几何比尺的减小,开孔沉箱受到偏大的流体黏性力,致使更多波能在湍流运动中耗散,进而减小了波浪反射系数并降低了箱体外侧的波面高度。     

多消浪室开孔沉箱消浪特性的数值模拟研究

本文基于雷诺平均的Navier-Stokes方程和k-ε模型求解湍流流动,采用流体体积法(Volume of Fluid,VOF)追踪自由表面运动,建立无反射波浪数值水槽,对多消浪室开孔沉箱的消浪特性进行数值模拟研究。将单消浪室和多消浪室开孔沉箱反射系数和结构前波面分布的数值分析结果与物理模型试验结果进行对比验证,两者符合良好。利用数值算例,研究多消浪室开孔沉箱的反射特性以及开孔结构附近的速度场和湍流强度分布。分析结果表明:波浪与开孔沉箱相互作用时,涡旋和湍动主要分布在开孔墙和消浪室内部自由表面附近;与单消浪室开孔沉箱相比,多消浪室开孔沉箱可以更有效的耗散波浪能量,降低结构的反射系数。本文分析结果可为开孔沉箱结构的工程设计提供参考依据。     

The reflection of oblique waves by an infinite number of partially perforated caissons

This study examines the reflection of obliquely incident waves by an infinite array of partially perforated caissons. Based on the linear potential theory, an analytical solution of the present problem was developed by means of the matched eigenfunction expansion method. The solution was obtained in a single strip consisting of the semi-infinite narrow region in front of a caisson and the fluid domain inside this caisson. It was then extended to the whole fluid domain by using the periodicities of the structure and the incident waves along the length of the caissons. The present model was validated by comparing the reflection coefficients of several limiting cases with the corresponding results obtained by previous researchers. Numerical experiments were also conducted to examine the variations of the reflection coefficient versus its main effect factors. The numerical results indicate the differences between the present model and the previous limiting cases, and some helpful results are recommended for practical engineering.     

开孔沉箱与斜向波作用的理论研究和实验验证

应用透空壁内流体速度与壁两侧的压力差成正比的线性模型,研究了无限多个开孔沉箱在斜向波作用下的反射问题。整个流域被分成无限多个子域,在每个子域内应用特征函数展开法对速度势进行展开。对于沉箱内的波浪运动,根据沉箱位置引入相位差概念。在构造反射波模型时,考虑了结构物几何形状周期性的影响。结果表明,当孔隙系数无限大时,开孔墙前后的速度非常接近,反射系数符合能量守恒定律。在低频入射波作用下,沉箱越短,其反射系数越小,反射系数随着角度的变大而减小。     

Wave forces on a seawater intake caisson

The wave force on a seawater intake structure consisting of a perforated square caisson of 400 mm×400 mm size encircling a vertical suction pipe of 160-mm diameter is investigated using physical model studies. The porosity of caisson was varied from 1.6 to 16.9%. Regular and random waves of wide range of heights and periods were used. It is found that the force ratio (ratio of the force on perforated caisson to the force on caisson with zero percent porosity) reduces to an extent of up to 60% with increase in porosity of the caisson from 1.6 to 16.9%. The force ratio was found to increase with increase in relative wave height and reduces with increase in relative width. Multiple regression analysis of the measured data points was carried out and predictive equations for wave force ratios are obtained both for regular and random waves. The results of this investigation can be used in the hydrodynamic design of perforated caissons, which are widely used as seawater intake structures.     

Wave actions on the side caissons of the Venice gates

The present study originates from a construction problem found in the planned deployment of the side caissons of the Venice gates barrier. Each of these caissons is made to float, then sunk into a lateral trench and jointed to the soil at its bottom. As a result, a C-shaped channel forms between the vertical caisson surfaces and the surrounding trench. Incoming storm waves propagating from the sea can then induce forced oscillations in this C-channel. An analytical model based on the method of matched asymptotics is developed in order to obtain the free surface oscillations in the channel, caused by a grazing incident wave. The resonant response of the basin and the amplification factors are then determined. From the free surface elevation, the pressure field and hence the total forces are also found. The analysis moves on to irregular wave motion. The analytical solution enables us to compute the dynamic actions, showing that their magnitude can be significant, due to the excitation of different resonant modes.     

空间节省型堰式沉箱波浪反射与结构优化试验研究

为了同时提升消浪效果和节省海岸空间,对低反射防波堤进行改进,提出了一种空间节省型堰式沉箱结构。通过物理模型试验研究了堰式沉箱在规则波作用下的消能机理,然后采用单因子分析法分析了相对淹没深度、波陡和相对波高对反射系数的影响,并且利用SPSS软件对无因次参数进行非线性回归分析得到了反射系数计算公式。结果表明,内堰消浪室可以形成良好的波能耗散机制,随着有效消浪室个数的增多,消浪效果逐渐增强,使得反射系数的最小值和最大值较非透空直立结构分别降低了60%～90%和10%～30%。基于以上研究成果,给出关于特征水位与内堰的相对位置关系的合理建议,并总结了堰式沉箱结构的优化设计要点,对实际工程应用具有一定的指导意义。