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。     

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。     

不规则波作用下明基床上开孔沉箱垂直力分析

通过水槽物理模型试验,对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,分析讨论了开孔沉箱总水平力峰(谷)值时刻对应的总垂直力与基床相对高度、开孔率、波陡、相对水深、消浪室相对宽度等影响因素之间的关系,并与暗基床的研究成果做了对比讨论,给出了明基床上开孔沉箱总垂直力比值(总水平力极值时刻对应的总垂直力/总垂直力极值)与各影响因素之间的计算关系式,研究结果可为工程应用提供参考。     

波浪作用下开孔沉箱疲劳与承载能力研究

开孔沉箱孔洞周围存在以三轴循环应力为特征的复杂承载区,其中混凝土损伤速度远大于单轴应力条件,局部疲劳损伤快速累积使结构整体承载能力迅速下降。考虑迎浪面入射波浪与消浪室内反射波浪的循环作用,针对开孔区域复杂应力状态下的疲劳损伤问题,基于不可逆损伤力学发展的数值计算方法模拟开孔板疲劳过程,得到循环荷载作用下不同类型开孔板的损伤演化历程,并计算损伤后整体结构极限承载力大小,通过综合对比孔洞损伤发展规律和结构极限承载能力,建立了疲劳作用下开孔沉箱极限承载能力判断依据。现有规范依据设计使用年限、波浪条件、作用效应组合等确定材料与结构强度,但并未充分体现开孔结构的优势与承载特点,在此基础上文中补充了开孔结构的优化设计以及实际寿命判断。     

波浪与大开孔消浪结构作用非线性数值模拟

基于二维Laplace方程和边界条件,经过Green转换得到以势函数及势函数法向导数为未知量的积分方程。结合0-1混合型边界元和分区边界元方法建立一个适用于求解波浪与大开孔消浪结构相互作用的强非线性波浪变形数值模式,同时给出开孔板上波动压力的计算方法。通过数模与物模结果对比,该数值模式具有较好的精度,可应用于开孔沉箱防波堤消浪效果的计算和研究,其处理原则对其他低反射海工结构物计算也将有适用性。     

明基床上开孔沉箱总力矩试验研究

通过二维水槽内规则波以及不规则波作用下开孔沉箱的受力试验研究,分析研究了明基床上开孔沉箱所受的总力矩与相对基床高度、消浪室相对宽度、相对水深、波陡以及开孔率等影响因素间的相关关系,并利用最小二乘法给出总力矩比值(开孔沉箱/实体沉箱)与其影响因素间的拟合公式,同时将计算值与试验值对比,二者吻合较好,所得经验关系式可供工程设计参考。     

多消浪室局部开孔沉箱防波堤反射特性的迭代解析研究

基于势流理论,对多消浪室局部开孔沉箱防波堤的反射特性进行解析研究。研究中采用开孔墙处的二次压力损失边界条件,可以直接考虑波高对于开孔墙处能量损失的影响。利用匹配特征函数展开法和迭代方法得到当前问题的解析解。收敛性验证表明,迭代计算和级数解均具有良好的收敛性。该解析解的计算结果与分区边界元的数值计算结果一致,并且与已有的试验结果符合良好。通过算例分析,研究开孔沉箱防波堤反射系数的主要影响因素。结果表明：与单消浪室开孔沉箱防波堤相比,多消浪室开孔沉箱防波堤可以在更宽的波浪频率范围内保持低反射;增大开孔墙的开孔率,有利于降低多消浪室开孔沉箱防波堤的反射系数;当开孔墙的开孔率沿着入射波方向依次递减时,多消浪室开孔沉箱防波堤的反射系数较小。本文所建立的解析模型简单可靠,可用于工程初步设计中分析开孔沉箱防波堤的水动力性能。     

消浪室宽度对可渗明基床开孔沉箱消浪性能影响研究

开孔沉箱是将传统沉箱的前壁开孔,使沉箱前的入射波浪与反射波浪非同相位叠加,达到消能目的。消浪室是开孔沉箱的重要特征结构,其宽度对开孔沉箱的消浪性能具有重要影响。针对可渗明基床开孔沉箱,赋予消浪室宽度以较大的变化范围,开展专项物模试验,研究探讨了在规则波与不规则波作用下,相对消浪室宽度对可渗明基床开孔沉箱前波高反射系数的影响规律,发现反射系数随相对消浪室宽度的增加呈减小—增大—减小的振荡特性,这一发现有别于前人的研究成果,对工程中开孔沉箱消浪室结构的优化设计具有借鉴意义。同时,对试验工况进行数值模拟和解析计算,以物模试验值为标准,评价两种方法在研究相对消浪室宽度对开孔沉箱波高反射系数影响时的规律把握能力及计算精度,对工程中应用这两种方法给出相关建议。     

开孔率对明基床上开孔沉箱波浪反射系数影响的数值研究

开孔率是开孔沉箱波浪反射系数的重要影响因素,迄今为止关于开孔沉箱的物模试验研究成果(包括《防波堤设计与施工规范》)中,开孔率μ通常以线性关系反映在开孔沉箱波浪反射系数的计算关系式中,适用范围为0.2~0.4。但当μ0.2或μ0.4时,开孔率μ对波浪反射系数Kr的影响规律尚需进一步的研究探讨。现借助二维数值波浪水槽,在扩大了的开孔率取值范围内,模拟不规则波与可渗明基床上开孔沉箱的相互作用。结果表明:在0.2≤μ≤0.4的范围内,用线性关系描述开孔率μ对波浪反射系数Kr的影响是合适的;在μ0.4时,数模值和物模试验拟合的经验关系式的趋势是一致的;在μ0.2时,开孔沉箱反射系数K_r随开孔率μ的减小而增大,用物模试验拟合的经验关系式及《防波堤设计与施工规范》中计算公式的线性关系来描述开孔率μ对反射系数K_r的影响是不恰当的。研究成果对开孔沉箱消浪机理的深入认识和开孔沉箱结构的优化设计具有重要意义。     

开孔沉箱结构消浪效果和水动力特征试验探究——以日照港岚山港区码头为例

由于开孔前墙和消浪室具有强扰动作用,所以开孔沉箱结构具有很好的消浪效果。本文通过日照港岚山港区码头开孔沉箱结构的物理模型试验,研究了沉箱不同开孔位置的消浪效果和水动力特征,分析了不同方案的反射系数和越浪量。结果表明：水位对反射系数的影响较大,开孔位置较高的方案,其消浪性能较好,且越浪量较小。选择反射系数和越浪量均较小的设计方案进行了水动力试验,结果表明：水平力最大时对应的浮托力约为最大浮托力的60%;浮托力最大时对应的水平力约为最大水平力的75%;波浪对开孔沉箱的作用主要集中于外壁迎浪侧,内部结构受到的波浪力很小;第二消浪室波浪力小于第一消浪室。     

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.     

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。     

不规则波与开孔沉箱相互作用数值模拟

采用三步有限元法对N-S方程进行离散,同时借助CLEAR-VOF方法追踪流体自由表面,利用主动吸收式造波等手段改进了二维不规则波浪数值水槽,使得水槽中的波浪谱与目标靶谱吻合较好。进而建立了不规则波浪与开孔沉箱作用一种新的数值模式,分析研究不规则波作用下开孔沉箱的反射率,并与现有的物模结果和数模结果进行了对比,为不规则波与开孔沉箱作用问题的研究,探求了一种新的数值手段。     

Experimental and Theoretical Investigation of Wave Forces on A Partially-Perforated Caisson Breakwater with A Rock-Filled Core

1.IntroductionVertical breakwaters are widely used for harbor and coastline protection in coastal engineering.Recently,perforated breakwaters have been often used in practice as they can effectively reduce thewaveforces actingon,the wave reflectionfromand…     

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.     

Total horizontal and vertical forces of irregular waves on partially perforated caisson breakwaters

In this study, the total horizontal and vertical forces as well as the phase differences of irregular waves on a partially perforated caisson breakwater are investigated. The partially perforated caisson is located on a rubble fill foundation and filled with rock. Based on linear potential theory, a simple semi-analytical solution of the present problem is developed by means of the matched eigenfunction method and the finite element method. Experimental tests are also conducted to validate the theoretical model and examine the wave forces acting on the perforated caisson. The effects of some of the main factors on the total wave forces and the phase difference are examined. Theoretical and experimental studies show that when the total horizontal force reaches its peak, the simultaneous total vertical (upward) force is rather small or even becomes downwards. This is due to the existence of an obvious phase difference between the time histories of the total horizontal and vertical forces, which is an important advantage of perforated caissons over traditional structures.     

波浪与外壁透空双方形沉箱相互作用

在线性波浪理论下,利用复合边界元素法(composite BEM)数值解析在等水深、规则波浪入射二种外壁透空双方形沉箱的无因次波力及Kd绕射分布图,并分别与其他研究者所作双圆筒内、外圆柱无因次波力及绕射分布图的计算结果进行比较,都说明本模式的合理性和可行性。在考虑不同透水参数下,分别计算波浪作用在内、外结构物的波力及沉箱四周绕射系数大小分布图。计算结果显示:波浪作用于外壁透空全透水双方形沉箱,外方柱无因次最大波力值会随着透水参数增加而降低;内方柱无因次最大波力值则随着透水参数增加而增加。本研究结果可供设计外海透水方形沉箱结构交互作用参考。     

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…