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。     

新型开孔工字板组合式防波堤波浪力特性试验研究

开孔工字板组合式防波堤是基于透空板式防波堤的一种新型结构形式,具有自重轻、材料省的特点。为充分了解新型开孔组合式防波堤的受力特性,基于室内水槽物理模型试验,测量新型开孔工字板组合式防波堤上的波压力与结构总力,研究相对波高H/d、相对波长L/B对该新型防波堤结构表面压力的影响,讨论了该新型防波堤所受波浪力荷载与相对波高H/d、相对波长L/B的关系。结果表明,相对波高H/d是决定新型防波堤结构表面波压力和结构总力的主要影响因素。该新型防波堤结构波浪力荷载以垂直方向受力为主,新型防波堤结构所受竖向总力远大于水平总力,最大可达到15倍。新型防波堤水平总力随相对波长L/B先增大后趋于稳定。相对波长L/B=3.617是防波堤结构水平总力变化幅度的分界点。     

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。     

开孔墙对减小波浪载荷效果的CFD分析

极限波浪载荷是导致海上结构物疲劳失效的主要载荷之一。固定在海洋基础结构物上的直立开孔墙对减小波浪载荷具有一定的效果。基于不可压缩黏性流体流动理论和N-S方程,采用VOF与Level-set相结合追踪自由表面的方法,首先建立数值波浪水槽,然后对开孔墙本身的开孔率和开孔墙与直立墙之间的相对距离,在降低反射系数和波浪力两个方面进行分析。研究结果表明,开孔墙可以明显降低作用在结构物上的波浪力,开孔墙本身的开孔率和与直立墙的相对距离会对其产生明显影响;不同波浪参数下会存在一个最佳的开孔率,但是不同波浪参数时最佳开孔率会略有不同;当开孔墙和直立墙的相对距离在0.2到0.3之间时,开孔墙的消波减载效果最佳。研究结果可为海洋工程相关设计提供一定的参考。     

楔形体在波浪中自由入水的数值模拟

物体入水时波浪的影响不可忽略,基于流体力学模型采用VOF法,并利用自定义函数,模拟了楔形体的自由入水过程;同时结合推波板原理及海绵层消波理论实现了数值水槽的造消波,完成了波浪中楔形体自由入水的模拟,计算了楔形体入水时所受的水作用力、自由液面变化及物面压强分布等,研究了不同波高、周期以及在波浪不同位置入水时对楔形体的影响。结果表明:本文建立的数值模型可很好地模拟楔形体入水造成的射流及空泡的形成发展过程,波浪对楔形体入水的影响主要由波浪内部流场变化及表面波形决定,在波浪不同位置处入水对楔形体受力及入水形态均有较大影响。     

深水波浪破碎特征量与风速和摩擦风速的关系

破碎是常见的海浪现象之一,研究海浪破碎现象在许多方面有重要意义.首先,海浪破碎是海-气相互作用包括动量、热量及质量交换的主要动力因素,而且波浪破碎还涉及到其它海-气边界过程,如海面白浪(whitecaps)、海洋表面气泡、大气贴水层水雾及海洋上层混合等[1,2];其次,由于破波施加于海洋结构物上的作用力(冲击力)远大于没有破碎时的波浪力,因此,在计算海上建筑物所受外力中,必须考虑破波的出现率及破波强度的影响;另外,波浪破碎会对波高产生影响,因此,在对波高作统计预报时也应考虑波浪破碎的影响[3];还有的学者认为,很多污染物在海洋中的扩散速度与波浪破碎率有密切关系[4].     

砂质海床上海底管线的斜向波浪力试验研究

近岸海底管线在波浪作用下的受力情况关系着海底管线的安全运营。本文利用波浪港池物理模型试验,研究了斜向规则波作用下海底管线断面和管线沿程波浪力特性,分析了波浪入射方向与管线轴线夹角α及波浪要素对海底管线所受波浪力的影响,探讨了管线冲刷与所受波浪力之间的关系。试验结果表明:管线水平力在α=60°时达到最大,而上升力在α=45°时达到最大,并且从力的大小来看水平力比上升力大。随着角度增大,管线压力沿程变化幅度先增大再减小,α在60°时管线上游端压力最大;在45°时管线压力沿程变化呈波浪型,从上游往下游增减交替变化。随着冲刷的发展,管线下方受力最大值逐渐增大,管线前后方压力差值也逐渐增大。     

波浪对上部开孔带内柱的圆筒结构的绕射

应用透空壁内流体速度与两壁间压力差成正比的线性模型和特征函数展开方法,建立了外壁上部开孔并带有内柱的圆筒结构对波浪绕射的解析解.通过数值计算研究了外壁开孔率的大小、圆筒与内柱半径之比、筒内水深等因素对圆筒上总的波浪作用力和圆筒周围波浪高度的影响.经数值研究发现随着外壁开孔率的增大圆筒迎浪端的波浪高度和圆筒结构上总的波浪力明显减小,外壁孔隙特性G虚部的增加对波高和波浪力的衰减也有一定的影响;增加圆筒内部的水深可减小圆筒周围的波浪高度,降低圆筒结构上的总波浪力.     

西沙海区波浪特征分析与预报

根据西沙海洋站实测波浪及风要素资料,对西沙海区波浪分布特征进行了分析,并应用相关分析法,通过多元回归计算,得出波要素的预报方程,后报检验结果表明,预报值与实测值吻合程度良好.     

规则波作用下透空格栅板式防波堤波浪力试验研究

透空格栅板式防波堤是一种新型防波堤结构,为了促进该结构在实际工程中的应用,论文通过模型试验研究其所受波浪点压力和波浪总力的特征。试验结果表明,在规则波作用下,下层水平格栅板所受波浪点压力较上层水平格栅板大,且防波堤中前端波浪点压力分布不规律;相对板宽B/L对该防波堤所受波浪总力的影响较大,相对板间距S/h对其整体稳定性的影响次之,而相对波高H/h主要影响该防波堤的垂向受力;此外,当上层水平格栅板与静水面齐平且孔隙率相对较大时,该防波堤所受波浪总力最小,对其整体稳定性最有利。     

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.     

有顶板开孔沉箱所受波浪力的数值分析

利用流体体积(VOF)方法并结合k-ε模型以及等温状态下的气体状态方程数值计算规则波对有顶板开孔沉箱的作用,将数值计算结果与物理模型试验数据分别对总水平力、前开孔板和后实体板的压力分布以及顶板总力等物理量进行对比,验证了所建立的数学模型和数值计算方法的有效性和可靠性,为分析有顶板开孔沉箱的波浪力提供了有效的计算方法.     

The force of oblique incident wave on the breakwater with a partially perforated wall

1 IntroductionRecently breakwaters with perforated front wallshave been widely used. The use of perforated break-waters mainly has two advantages. Firstly, wave forcesacting on the whole structure can be divided into twoparts on two different walls with a phase difference.To select the distance between the two plates suitably,the total wave force on the whole structure can bemaintained at a low level. Secondly, waves will dissi-pate when they transmit over a porous medium. Thus,the reflection…     

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。     

Numerical and simplified methods for the calculation of the total horizontal wave force on a perforated caisson with a top cover

The VOF method and the k–ε model, combined with the equation of state of air at constant temperature, have been used to calculate the total horizontal wave force caused by monochromatic waves acting on a perforated caisson with a top cover. From comparison of various parameters, such as the total horizontal force, the pressure difference on the front wall, the pressure on the back wall and the pressure on the top cover, between the numerical results and test data, it can be seen that the numerical results agree well with the test data. It is concluded that the method described in this paper can be utilized to calculate wave forces acting on perforated caissons with a top cover in the case of nonovertopping, nonbreaking waves. A simplified method to calculate the total horizontal force has been developed, based on test data, using a least-squares method. A comparison between the numerical results and the values calculated from the simplified equations shows good agreement. Therefore the simplified equations can be used in engineering applications to evaluate the total horizontal force on a perforated caisson with a top cover.     

Vibrating-Sliding Motion of Caisson Breakwaters Under Various Breaking Wave Impact Forces

Sliding is one of the principal failure types of caisson breakwaters and is an essential content of stability examination in caisson breakwater design. Herein, the mass-spring-dashpot model of caisson-base system is used to simulate the vi-brating-sliding motion of the caisson under various types of breaking wave impact forces, i.e., single peak impact force, double peak impact force, and shock-damping oscillation impact force. The effects of various breaking wave impacts and the sliding motion on the dynamic response behaviors of caisson breakwaters are investigated and the calculation of relevant system parameters is discussed. It is shown that the dynamic responses of the caisson are significantly different under different types of breaking wave impact forces even when the amplitudes of impact forces are equal. The amplitude of dynamic response of the caisson is lower under single peak impact excitation than that under double peak impact or shock-damping oscillation impact excitation. Though the disp     

Wave Action on Structures of Combined Cylinders

1.Introduction Owingtoitssignificanteffectofreductionofwaveloadsandwaverun up,theperforatedwallon anarrayofcylindricalstructureshasreceivedconsiderableattentioninrecentyears.Manyresearches havebeencarriedoutinthisfield.Anexactsolutionforthediffractionoflinearwaterwaveswithan arrayofimpermeablecylinderswasfirstgivenbySpringandMonkmeyer(1974)usinganeigenfunction expansionapproach.Subsequently,LintonandEvans(1990)madeamajorsimplificationtothetheo ry,whichallowedthenear fieldquantitiessuchasload…     

明基床上开孔沉箱垂直力峰值对应的水平力分析

利用水槽二维物理模型对规则波及不规则波作用下明基床上开孔沉箱所受到的波浪力进行了较为系统的试验研究。分析了开孔沉箱总垂直力峰值时刻对应的总水平力与相对基床高度、消浪室相对宽度、波陡、相对水深以及开孔率等影响因素之间的关系,给出了明基床上开孔沉箱总水平力比值(总垂直力峰值时刻对应的总水平力/总水平力峰值)与各影响因素之间的计算关系式。研究成果可供实际工程参考应用。