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。     

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。     

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。     

明基床上开孔沉箱稳定性试验研究

通过水槽内规则波以及不规则波作用下明基床上开孔沉箱的稳定性试验,分析研究了三种基床高度上开孔沉箱的稳定性与相对基床高度、消浪室相对宽度、相对水深、波陡以及开孔率等因素间的相关关系,并利用最小二乘法给出开孔沉箱最小自重与其影响因素间的拟合公式,同时将计算值与试验值进行比较,二者吻合较好,试验结果可供工程设计参考应用。     

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。     

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。     

开孔沉箱式结构内部波浪冲击压力试验研究

为研究在不同比尺模型下,透空式海洋结构中开孔沉箱内部受力与入射波浪的关系及差异,针对简化的上部开孔箱体海洋结构,选取两组不同尺寸模型进行了多组规则波物理模型试验。首先采用低通滤波方法分析了冲击力的不同组分,然后对比了两组模型内部所受冲击力的分布及波要素与箱体内部受力的关系。研究发现,波面对开口的淹没程度是影响冲击过程的主要因素;当模型尺寸发生变化时,开孔箱体内部所受波浪力与入射波要素的关系也发生了变化。     

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。     

堆石防波堤不规则波浪反射系数试验研究

结合物理模型试验,分析斜坡坡度、波陡、相对水深、护面类型和破波参数等因素对堆石防波堤不规则波浪反射系数的影响规律。将常用的Van der Meer公式,Seelig公式,Postma公式和Davison公式计算值和实测值进行比较,并结合试验数据,基于有效波高和平均周期定义的Iribarren数,得出堆石防波堤不规则波浪反射系数经验公式。结果表明,该公式能较好地计算不规则波作用下块石和扭王块体护面堆石防波堤波浪反射系数。     

Experimental study of reflection coefficient and wave forces acting on perforated caisson

The reflection coefficient and the total horizontal forces of regular waves acting on theperforated caisson are experimentally investigated. The empirical relationship between reflection coefficient and the ratio of the total horizontal forces acting on the perforated caisson to those on solid vertical walls with the relative chamber width, relative water depth and porosity of perforated wall, etc. are given. Moreover, the results of the ratio of the total horizontal forces are also compared with formulas given by Chinese Harbour Design Criteria and Takahashi, which may be useful for the practical engineering application.     

The reflection of regular and irregular waves by a partially perforated caisson breakwater on a step bed

This study examines the reflection of regular and irregular waves from a partially perforated caisson breakwater located on a step bed. The step bed is treated as an idealized rubble mound foundation. Based on the linear potential theory, an analytical solution is developed to calculate the reflection coefficient of the structure subjected to regular waves. The matched eigenfunction expansion method is used for the solution. The regular wave method is also extended to irregular waves using a linear transfer function. The calculated results obtained for limiting cases are exactly the same as corresponding results given by the previous researchers. The present predictions also agree well with experimental data in the published literatures. Numerical experiments are conducted to examine the variations of the reflection coefficient versus its main effect factors, and some interesting results are presented.     

of regular and irregular waves from a partially perforated caisson breakwater with a rock-filled core

The reflection of regular and irregular waves from a partially perforated caisson breakwater with a rock-filled core is examined. The present mathematical model is developed by means of the matched eigenfunction method. Numerical results of the present model are compared with the experimental data of different researchers. Numerical examples are given to examine the effect of rock fill on the reflection coefficient. The differences between regular and irregular waves are also investigated by means of theoretical and experimental results. It is found that the minimum reflection coefficient of irregular waves is larger than that of corresponding regular waves, but the contrary is the case for the maximum reflection coefficient.