海堤外坡坡度对波浪溢流量的影响*

针对极端海况下海堤外坡坡度对波浪溢流量的影响问题,开展了一系列水槽试验研究。通过比较不同外坡坡度下的波浪溢流量,剖析海堤外坡坡度对波浪溢流量的影响。研究发现：1）在-0.6＜Rc/Hm0＜0的范围内波浪溢流量受到海堤外坡坡度的显著影响;2）在此范围内,当海堤外坡坡度从1∶1.5变化到1∶4.25时,同等波浪条件下的波浪溢流越堤量呈现先减小后略有增加的趋势。依据试验结果给出了考虑海堤外坡坡度的波浪溢流量经验公式,可为极端工况下的海堤安全评估和防护提供参考依据。     

波流相互作用中潜堤上低频波浪数值模拟

波流相互作用的研究具有重大的工程意义。文中采用完全非线性Boussinesq模型,模拟了低频波浪在潜堤上演化的整个过程,并对低频波浪进行分离,观察了不同水流作用下自由波和约束波间的能量变换传递,发现不同水流速度对约束长波的影响很小,而对自由长波的影响很大。其中,逆流会缩短拍长,相互作用更快速,而顺流恰好相反;在经过潜堤后,大部分的约束长波会把能量传递给自由长波,逆流会减小自由长波波幅,而顺流会增大自由长波波幅。     

浅滩影响下的近岸低频波浪研究

周期在25～300 s之间的低频波浪对海岸附近的泥沙输运、港内水面波动和泊稳等都有重要影响。虽然针对低频波浪的理论研究已有较多成果,但是结合实际工程针对浅滩上低频波浪的研究较少。采用非静压波浪模型SWASH对浅滩上波浪进行数值模拟,并对时域水面结果进行长短波分离,探讨低频波浪在浅滩上的演变规律。模拟结果显示,浅滩上低频波浪主要由约束长波和自由长波组成,约束长波占主要部分;低频波浪的能量来自于短波波群能量的转化;低频波浪能量增长率与h~(-5/2)成正比;不同水文条件下浅滩对低频波浪演变和近岸低频波浪运动的影响具有一定规律性。     

双峰谱波浪诱发细长港低频振荡的物理试验研究

针对低频波浪诱发港池振荡问题,通过物理模型试验研究了双峰谱中低频谱峰(fp1)和低频谱有效波高(Hs1)的变化对诱发细长港池低频振荡的影响。结果表明:1) fp1越接近港池第1共振频率,港内低频波浪响应越剧烈,通过fp1放大因子曲线可以准确识别港池的第1共振频率;同时Hs1的变化主要影响第1共振模态的波浪响应。2)基于平方小波二阶相关谱对港内波浪的非线性分析发现,fp1越接近港池第1共振频率或Hs1逐渐增大,港内波浪非线性相互作用均会明显增强。该研究结果对于涌浪和风浪长期共存的海域港口建设起到良好的指导作用。     

不规则波作用下的泊位长周期波浪试验研究

基于港口波浪整体物理模型试验并将泊位水域的波浪进行长短波分离,对不规则波作用下的泊位水域长周期波高的分布规律进行研究。结果表明:旧防波堤的反射对泊位处的长周期波高影响较大,其反射性能越强,泊位受长波危害越严重,在进行港口规划建设过程中可以通过减少港域原有建筑物的反射性能来减小港内长波;单向不规则波在泊位处的长波波高明显大于多向不规则波,在港口前期建设规划时用单向波来考虑长周期波浪对港内泊稳的影响更偏安全;泊位处的长周期波高随着入射波高、周期的增大而增大且波向的改变对港内的长波有一定的影响,但只当波向变化较大时,长波波高随波向的变化规律才明显。     

低频波浪在常水深地形中传播的数值研究

利用基于Boussinesq方程的波浪辐射应力计算模型,模拟常水深地形中传播的低频波浪,研究其形态变化,以及低频波浪与波浪辐射应力之间的关系。结果发现约束长波的波幅和波群的辐射应力值基本保持在某一均值不变;主频的波幅、约束长波的波幅都会做一定周期的震荡,同时波群的辐射应力也随之而震荡,三者之间的变化关系是波群非线性能量传递的表现。     

双色波激发细长港内低频振荡的物理试验研究

通过物理试验研究双色波传入细长港池并激发港池低频振荡,合理的试验布局降低了波浪二次反射对造波机的影响问题。利用快速Fourier变换和小波变换方法分析双色波在港内的幅频响应以及波浪能量的时-频分布情况,并利用小波二阶谱分析港内波浪不同成分之间的非线性相互作用过程。结果表明:当双色波短波频率对应港池不同共振频率时,通过波浪非线性相互作用产生的二阶长波在港内响应幅值不同;短波频率对应港池较低共振频率时,波浪会在港内聚集更多的能量;二阶长波以及高次谐波与双色短波之间呈复杂的非线性能量传递过程。     

港池长周期波浪振荡试验研究

港池长周期波浪振荡对港内泊稳条件极为不利,严重危害港内船舶的正常停靠与作业。通过物理模型试验,对某港内长周期波浪振荡和放大情况进行研究。结果表明,在短周期波浪作用下,港内发生了明显的长波振荡,5.47 m波高作用下港池长周期波浪波高可达0.4 m,在633、320和200 s附近的长波谱图均有明显峰值。通过港内外波浪能量对比发现,0.008 Hz以下频率港外波浪能量远不及港内波浪,港域内部在320和200 s附近的长波能量最大被放大5倍。研究结果可为类似工程长周期波浪防治提供参考。     

小面积掩护水域波浪物理模型与数学模型对比研究

通过物理模型和数学模型2种研究手段,对印度尼西亚PLTU2 JAWA BARAT 3×350 MW电厂码头工程波浪传播进行对比研究,分析港内外波高和波浪增水引起的水平面的变化。结果表明:对港内波高的分布情况数学模型模拟结果和物理模型试验结果基本吻合,从物理模型试验结果分析得出港内存在水平面的上升情况,MIKE21的BW波浪数学模型不能模拟波浪增水。分析了长周期波引起港内波浪共振的条件,港口的自振周期远远大于试验波要素的周期,故在此波浪作用下不会引起港内的共振。     

波浪能量在浅化过程中的参数化研究

基于物理模型试验,对近岸随机波浪在传播过程中由于受非线性相互作用而发生的谐波能量变化进行了研究。为了讨论岸底坡度对波浪能量传递的影响,进行了3组不同底坡（β=1/15、1/30、1/45）的试验,对一组基于JONSWAP谱的入射波浪传播过程进行采集分析,获取试验结果。重点考虑了波浪在变浅过程中的主频部分以及高频部分能量的变化特征,并且使用参数化手段对这些能量变化过程进行拟合,得到一组关于这些能量参数与当地水深参数之间的变化关系。通过对不同底坡下得到的拟合结果进行比较,发现波浪主频以及高频部分能量的变化受底坡坡度影响明显,因此,在最终的经验公式中考虑了坡度的影响。     

关于N波激发的港湾共振研究

本文采用一组完全非线性Boussinesq模型模拟了由两种不同形式的波峰在前的等边N波入射所激发的狭长矩形港内的瞬变港湾共振现象.基于正交模态分解法,定量分离了港内不同共振模态的响应幅值,并进一步系统研究了入射N波波幅和入射N波形式对港内相对波能分布的影响.研究表明,随着入射波波幅的增大,分布于高模态上的波能的比重逐渐增加,港内波能的分布趋于均匀,入射N波形式对于港内相对波能的分布也有显著影响.相比于MS形式的入射N波,TS形式的入射N波诱发的港内波能分布更加均匀.     

岛礁陡坡地形上波浪破碎试验研究

通过波浪水槽系列模型试验对岛礁地形上的波浪破碎位置进行试验研究。试验中将岛礁地形概化为向海陡坡与水平平台相连接的模型,研究3种陡坡(1∶1. 5、1∶3和1∶5)、3种相对水深(0. 1、0. 17和0. 24)下的波浪破碎位置。结果表明,波浪相对破碎位置与Irribarren数、礁坪相对水深以及前坡坡度有关,且随Irribarren数和相对水深的增大而向岸侧移动,随坡度的变陡而向海侧移动。同时,也给出了波浪破碎位置计算方法。     

岸礁地形上波浪增水和传递波的数值模拟研究

利用完全非线性Boussinesq方程数值模型FUNWAVE-TVD,对珊瑚岸礁地形上波浪的传播变形进行了数值模拟。通过Demirbilek物理模型试验,测试了FUNWAVE-TVD关于岸礁地形上波浪传播变形的计算性能,并分析了模拟结果(包括波高、增水和爬高)之于空间网格步长、底摩阻系数和破碎阈值的敏感性。通过系列组次的数值模型试验,研究了岸礁地形上礁坪长度和礁后岸坡坡度对波浪增水、传递波波高和爬高的影响。结果显示:礁坪长度和礁后岸坡坡度的变化对礁坪增水的影响小;一定范围内,传递波高随礁坪长度的减小和岸坡坡度的增大而增大;爬高随礁坪长度的减小而增大,随岸坡坡度的增大先增大后减小。相关结果对礁顶工程建设具有一定的参考价值。     

基于δ-SPH方法的多孔潜堤共振反射数值模拟研究

基于δ-SPH方法,通过在控制方程中引入介质阻力项,建立波浪与多孔潜堤相互作用的数值波浪水槽。对比数值模拟结果与物理模型试验结果,发现二者符合良好,验证了数值模型的可靠性。通过数值算例分析,研究了波浪参数、多孔潜堤参数等对双排梯形多孔潜堤Bragg共振反射的影响。研究表明:当入射波长约为2倍潜堤中心间距时,潜堤发生主频共振反射;波浪未破碎情况下,入射波高的变化对共振反射影响较小;降低堤顶水深、增加潜堤中心间距或增加潜堤宽度能够增强共振反射;当梯形潜堤顶宽固定时,主频反射系数随坡度增大而减小,当潜堤底宽固定时,主频反射系数随坡度增大而增大。文章数值模型能够有效模拟波浪与多孔介质潜堤的相互作用,可为工程设计提供参考。     

极浅水单点系泊FPSO低频响应分析

对单点系泊FPSO在极浅水中波浪作用下的低频响应进行频域数值计算与模型试验研究,水深16.7m,入射波有义波高4.1m.计算结果与试验结果符合良好.试验中的波浪校验结果显示,在不规则波浪谱中出现明显的低频成分.由此产生了一阶低频波浪力,其能量谱是通常二阶波浪力谱的近百倍,导致FPSO在极浅水中所受低频波浪力大大增加,并引起极大幅度的共振纵荡运动响应.极浅水时,低频纵荡运动响应主要是一阶的,二阶成分几乎可以忽略,而且与深水相比,由于阻尼和二阶波浪力同时增加,二阶响应变化不大.低频浅水长波和一阶低频波浪力及其诱导大幅运动响应会给极浅水FPSO和系泊系统设计带来严重影响,在水动力性能预报时必须仔细予以考虑.     

坡度对波浪统计特征的影响

为了明确坡度对不同波浪统计特征的影响,利用数值模型对波浪在不同坡度斜坡上的传播进行模拟,分析波浪的非线性参数和波高分布等,比较不同坡度下波浪的传播特性。结果表明,在相同条件下,随着波浪在斜坡地形上传播,波高会随着水深的变浅逐渐增大;坡度对于波浪的波高分布具有较大影响,当坡度较大时,波浪传播至斜坡较浅水深时的波高分布接近瑞利分布,当坡度逐渐减小时,相同波高的发生概率逐渐减小;而Ursell参数则不会随着坡度的变化有明显的变化。     

海堤后坡混凝土板护面稳定厚度的模型试验研究

海堤在风暴潮和极端波浪的联合作用下极易发生堤顶大量越浪,而越浪量的增加可能导致防波堤后坡的破坏,造成海堤整体失稳。针对这一问题,对海堤后坡混凝土板护面进行系列二维物理模型试验,根据越浪对堤后不同坡度不同护面厚度的冲刷破坏情况,讨论堤后混凝土板护面稳定厚度与越浪量和后坡坡度之间的关系,结果表明:同一坡度下护面稳定厚度与越浪量成线性相关;不同坡度时,坡度越缓,相对厚度越小。最终给出不规则波作用下不同坡度的后坡混凝土板护面厚度的计算公式。     

利用数学模型进行港内长周期波浪风险分析

针对港内长周期波风险问题,使用MIKE 21 BW模型建立了港内波浪传播数学模型。模型的构建使用了白噪谱和天然波况作为入射波浪条件。基于白噪谱的模拟结果,使用数字滤波技术分析了港池固有共振周期,并给出了相应共振周期下的水面高程和能量密度分布;基于天然波况的模拟结果,提取了泊位处的波高时间序列,以30 s为界限,分离出了长周期波。以西非某港为例,探讨了港池的长波风险,模拟结果可作为港池布局的参考依据。     

浅水FPSO垂荡和纵摇运动的低频响应

对软刚臂系泊FPSO在浅水不规则波作用下的垂荡和纵摇运动响应进行数值计算与模型试验研究,水深16.7 m.试验中的波浪校验结果显示,在波浪谱中出现明显低频长波成分.计算结果与试验结果均显示,垂荡和纵摇波浪力、运动响应既有传统的波频成分,也出现显著低于波浪频率的低频成分,而且低频响应的能量和幅值甚至会远大于波频响应.垂荡和纵摇运动的低频响应不具有能量集中的共振频率,而是具有较宽的低频能量分布.这种显著低频响应的出现,与浅水中低频长波的存在有关,表明其不仅对系泊FPSO水平面运动性能影响极大,也会显著影响垂荡和纵摇这类垂直面运动的波浪力和运动响应,在理论预报时需要予以重视.     

涌浪影响下的某浮式LNG接收码头港内波浪研究

针对涌浪及浮式LNG码头的具体特点,通过波浪数模、2D及3D物理模型试验等手段,对港内波浪进行了研究。结果表明,防波堤透浪及波浪周期对港内波高有明显影响,且波浪周期越长影响越大。为此,对于波高变化敏感的浮式LNG码头,建议通过3D波浪物理模型试验对港内波浪做更准确的评估。