浅水区波浪非线性效应对砂质海床动力响应的影响

以广义Biot动力固结理论为基础,运用一阶椭圆余弦波和二阶Stokes波等非线性波浪理论考虑浅水区波浪荷载的非线性效应,在时域上采用有限元方法对非线性波浪力作用下饱和砂质海床的动力响应进行了数值求解,并与线性波浪作用下海床动力响应特性进行了对比分析。结果表明,随着波长与水深之比L／d及无量纲参数T(g/d)^1/2的增大,非线性波浪对海床动力响应的影响增大。与线性波浪理论相比,孔隙水压力与有效应力幅值的增大效应非常显著。因此在近海海洋建筑物设计与工程场地评价中,波浪力的非线性特性必须引起注意。     

非线性波浪作用下埋置管道上波浪力简化计算

由于浅水区波浪的非线性影响显著,浅埋管道受非线性波浪荷载的影响大,为了保证管道长期运行的稳定性,在管道设计过程中需要充分考虑由非线性波浪引起的波浪力。考虑孔隙水和海床土的压缩性,基于Biot固结理论和一阶近似椭圆余弦波理论,利用分离变量法推导了非线性波浪作用下浅水区埋置管道周围海床的渗流压力,进而给出了埋置管道上的波浪力压力解析解,并与已有的文献结果进行比较。计算结果表明,在椭圆余弦波的作用下,海底管道周围海床内的渗流压力呈正弦分布,且管道所受的波浪力随着管径的增大而增大。     

海底边坡稳定性分析中波浪力的求解

针对浅水区波浪的非线性特性,提出了在海底边坡稳定性分析中应用椭圆余弦波理论来研究波浪力的问题,利用非线性弥散关系建立了新的适用于整个水深范围的椭圆余弦波的近似求解方法.结合工程实例,确立了海底边坡波浪力的计算步骤,并编制了计算程序.     

椭圆余弦波作用下海床响应特征的有限体积法数值分析

椭圆余弦波是一种常见的浅水非线性波,对近岸区海床的稳定性有重要影响。本文根据有限体积法原理,基于开源流体力学计算平台OpenFOAM,利用C++语言编制了波致无粘性土海床响应的数值计算程序,联合波浪数值模拟软件,对椭圆余弦波作用下海床的瞬态响应、累积响应及其渐进液化特征进行了分析。与线性波作用下海床响应计算结果的对比分析表明,椭圆余弦波会明显增大海床瞬态孔隙水压力和应力幅值,进而显著促进海床内孔隙水压力的累积和液化深度的发展。在近岸浅水区海床的响应分析尤其是海床累积响应的分析中,波浪的非线性效应不容忽视。     

近岸波浪浅水变形的非线性分析

本文就近岸波浪具有非线性特征提出了应用椭圆余弦波理论来研究波浪浅水变形的非线性问题。本文在椭圆余弦波数值计算的基础上，进一步分析了浅水波浪在ＨＬ~２／Ｄ~３＞２６情形下波高的变化规律，其中考虑了床面底摩擦、底坡和传质水流等因素对波高变化的影响及相应的程度分析。计算结果分析表明，浅水波浪的非线性性质和底部摩擦对波高变化的影响不能忽略，这对确定海岸工程标高有较大的实际意义和经济价值。     

圆柱墩群上的波浪力

本文根据Maccamy-Fuchs关于单个圆柱墩的微幅波绕射理论,在严格考虑不同墩间相位差的基础上,研究了双圆柱墩情况下的波浪绕射场,得出了柱面上各点的波压力,作用在单位高度高柱上的波浪力,柱群中各柱的波浪力及整个墩群上的总波浪力的计算公式。对于等径的双圆柱墩群,编制了VORTRAN程序WFFTP,可供设计之用。     

浅水非线性波作用下沙质底床孔隙水压力响应数值分析

近岸水深较浅,波浪具有较强的非线性,海床破坏与波浪作用下孔隙水压力的分布有着密切的关系。波浪场控制方程采用雷诺时均方程和k-ε紊流模型,入射波采用椭圆余弦波,采用PLIC-VOF法追踪自由表面;海床域以Biot动力固结理论为基础,建立了非线性波浪与海床相互作用的弱耦合数学模型,获得椭圆余弦波作用下沙质海床中孔隙水压力响应规律。计算结果表明,与线性波浪相比,浅水非线性波作用下沙质海床中孔隙水压力幅值增大非常显著。     

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.     

作用在大直径圆柱墩上不规则波波浪力的试验研究

本文介绍大直径圆柱墩不规则波波浪力的确定方法,本法基于波浪绕射理论及随机海浪的极值分布理论而建立,经过不规则波波力试验,证实它是合理并可靠的。文中讨论了波力谱的表达式,波力及波力矩的统计分布特征及波力谱(或波力矩谱)与波浪谱峰频值ω_0的关系。     

椭圆余弦波理论在击岸波研究中的应用

本文根据波浪槽试验结果并与各种理论计算(线性理论、二阶和三阶Stokes理论,Keulegan和Patterson、徐基丰、Laitone等椭圆余弦波理论)作了比较。在比较的基础上对应用椭圆余弦波理论确定击岸波波峰相对高度、波速、最大水质点水平底流速以及水底质量传输等问题进行了探讨。     

波浪与水流共同作用下的流速场

本文讨论了波浪与稳定流相互作用的二元流条件下的流速场问题。分析表明由于波浪与水流相互作用的结果水流的垂线流速分布变得更为均匀,这一结果已经实验验证。结果还表明对于波流共同作用下的水平流速场可以应用波浪与水流二者水平流速值的叠加原理。数值计算的结果表明,对于波面高程和水平流速值,由非线性波理论所得的结果较线性波理论的结果为好。作者认为,在波流共同作用条件下,在工程实用上为了计算水平流速场,当相对水深 d/L 2大于0.1时,司采用斯托克斯三阶波或五阶波理论,当相对水深 d/L_2小于0.1时,司采用椭圆余弦波理论(d 为水深,L_2为静水中的波长)。     

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。     

椭圆余弦波的数值计算及其特性研究

椭圆余弦波能很好地描述浅水区域波浪运动特性,尤其是波浪破碎后形成的击岸波水质点运动规律、波速及波面形态,但按以往的理论,因椭圆积分计算上的繁杂往往给应用带来不便。按本文的方法对椭圆余弦波进行数值求解具有方法简便、正确迅速、便于应用的优点;同时,文中探讨了椭圆余弦波的各种特性,包括相对波峰高度、底面最大流速、波速、波能流及辐射应力和波浪破碎后的平均水面变化值。计算表明,这一方法比较符合试验资料及实际情况。     

系泊方柱在畸形波与波群伴生波浪作用下运动响应试验研究

畸形波与波群伴生波浪作用于系泊浮体,和常规随机波浪作用比较,运动响应时频域特征均将发生显著变化。基于物理模型试验,采用小波方法计算伴生波浪和常规随机波浪作用下系泊浮体运动响应的时频域特征变化及波群因子与浮体运动响应时频域特征的定量关系。结果表明:伴生波浪作用下浮体运动响应显著大于常规随机波浪的作用结果,且波群因子G A对浮体运动响应时频域特征有显著影响;伴生波浪作用下浮体纵荡运动的广义能量谱E(t)统计特征值E max(t)、E 1/10(t)、E 1/3(t)、E average(t)均明显大于相同波谱下常规随机波浪的结果,且随着波群因子G A增大显著增大;伴生波浪作用下各运动响应能量集中度δE显著大于常规随机波浪作用结果,且能量集中时域分布范围参数ΔT E以纵荡运动分量最为显著。     

椭圆余弦波理论研究工作的进展

精确地描述近岸波浪运动有着重大的意义,随着计算机技术的发展,椭圆余弦波理论已广泛地应用到研究近岸波浪运动特性、泥沙输移等方面。本文将综述近年来椭圆余弦波理论研究工作的进展,简评其数值计算的几种方法和应用方面的一些研究成果。     

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。     

非线性流函数波浪理论的求解

在海洋工程设计中,往往要求包括极限破碎波在内的极为非线性的波浪资料。为提供这些资料,目前已有多种非线性波浪理论可供使用,其中多数最终给出速度势函数φ(x,z,t)的表达式和波面方程,由此来研究与波浪相遇的结构物的运动性能,或者计算作用于这类结构物上的波浪力。这些理论包括用于近岸和浅水的孤立波理论和椭圆余弦波理论,主要用于深水和过渡水深的高阶斯托克斯波浪理论和流函数波浪理论,此外,还有扩展速度势理论和直接数值波浪理论等。在所有这些波浪理论中,流函数波浪理论对整个深水、过渡水深及部分浅水都提供了最好的边界条件拟合和最好的实验可靠性。就     

均匀流场中一阶椭圆余弦波波要素的直接数值计算

本文采用Isobe(1985)提出的一阶椭圆余弦波的直接数值计算方法,对均匀流场中一阶椭圆余弦波波要素的变化规律作了理论分析。计算结果表明,在H_0/d<0.6,d/L_0=1/30～1/10,V/C_0=-0.3～0.3的范围内,本方法是有效的,为进行极浅水水流区波要素的预报提供了一种简捷的方法。     

波浪浅水变形的数值计算

本文给出缓慢倾斜海底上波浪浅水变形计算的数值模式。该模式取相对水深h/L_o=0.1为连结点,根据已知的初始波要素值,使用线性波理论和椭圆余弦波理论,分别计算因水深变浅引起的波高、波速和波长的变化。     

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。