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。     

双消浪室局部开孔沉箱防波堤反射特性的理论与试验研究

双消浪室局部开孔沉箱防波堤具有低反射、结构受力小、适宜较大水深和工程造价低等优点。为明确双消浪室局部开孔沉箱水动力特性的主要影响因素,采用理论分析和物理模型试验相结合的方法,对规则波和不规则波作用下双消浪室局部开孔沉箱防波堤的反射特性进行研究。基于势流理论,建立规则波和不规则波对局部开孔沉箱防波堤作用的三维解析解,采用二次压力损失边界条件考虑沉箱开孔墙对波浪运动的影响,利用周期性边界条件考虑防波堤结构沿长度方向的周期性变化。开展相应规则波和不规则波物理模型试验,验证理论模型的合理性。通过算例分析,研究不同波浪要素和结构参数对防波堤反射特性的影响。研究表明:双消浪室局部开孔沉箱相对消浪室宽度取值为0.08~0.20,沉箱前墙开孔率大于后墙开孔率时,防波堤在较大波浪频率范围内消波效果显著;当前后墙的开孔率相等时,防波堤反射系数的最小值随着开孔率增大而减小。     

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。     

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。     

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。     

明基床开孔沉箱不规则波反射系数试验研究

通过二维波浪水槽物模试验,在考虑消浪室相对宽度、相对水深、相对波高、开孔率对反射系数的影响基础上,针对明基床开孔沉箱的工程应用,引入相对基床高度新的影响因素,通过控制单一变量原则分析各因素和反射率的关系,采用多元回归给出明基床开孔沉箱不规则波浪反射系数的计算公式,对明基床开孔沉箱的消浪机理进行了有益的探索,研究成果为工程设计及应用提供了一种简捷可靠的计算方法。     

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。     

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.     

Numerical Simulation of Wave Interaction with Perforated Caisson Breakwaters

1 .ＩｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎＴｒｅｍｅｎｄｏｕｓｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｔｒａｄｅａｎｄｓｅａｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｈａｓｔａｋｅｎｐｌａｃｅｓｉｎｃｅｔｈｅ1 980ｓ.Ｄｕｒｉｎｇｔｈｅｓａｍｅｐｅｒｉｏｄｏｆｔｉｍｅ ,ｈａｒｂｏｒｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎｉｎｃｒｅａｓｅｄｍａｒｋｅｄｌｙ ,ｒｅｓｕｌｔｉｎｇｉｎｔｈｅｄｅ ｔｅｒｉｏｒａｔｉｏｎｏｆｗａｖｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｎｈａｒｂｏｒｓ .Ｒｅｄｕｃｉｎｇｗａｖｅｄａｍａｇｅｔｏｐｏｒｔａｎｄｍａｒｉｎｅ…     

Experimental Study of Perforated Caisson Breakwater

This paper describes the design of a perforated caisson breakwater and presents the results of model test. Tests with regular and irregular waves have demonstrated that the perforated caisson breakwater has the advantages of low reflection coefficient, good wave-absorbing performance, relatively small wave height in front of the breakwater, and small amount of overtopping. Analyses have been made of the coefficient of reflection, wave height in front of the breakwater, and wave overtopping. Relevant figures and tables are presented for reference.     

Numerical Simulation on Oscillation-Sliding-Uplift Rock Coupled Motion of Caisson Breakwater Under Wave Excitation

Corresponding to the sliding and the overturning failure, the elementary motion modes of caisson breakwater include the horizontal-rotational oscillation coupled motion, the horizontal sliding-rotational oscillation coupled motion, the horizontal vibrating-uplift rocking coupled motion, and the horizontal sliding-uplift rocking coupled motion. The motion mode of a caisson will transform from one to another depending on the wave forces and the motion behaviors of the caisson. The numerical models of four motion modes of caisson are developed, and the numerical simulation procedure for joint motion process of various modes of caisson breakwater under wave excitation is presented and tested by a physical model experiment . It is concluded that the simulation procedure is reliable and can be applied to the dynamic stability analysis of caisson breakwaters.     

Numerical Simulation on Oscillation-Sliding-Uplift Rock Coupled Motion of Caisson Breakwater Under Wave Excitation

Corresponding to the sliding and the overturning failure, the elementary motion modes of caisson breakwater include the horizontal-rotational oscillation coupled motion, the horizontal sliding-rotational oscillation coupled motion, the horizontal vibrating-uplift rocking coupled motion, and the horizontal sliding- uplift rocking coupled motion. The motion mode of a caisson will transform from one to another depending on the wave forces and the motion behaviors of the caisson. The numerical models of four motion modes of caisson are developed, and the numerical simulation procedure for joint motion process of various modes of caisson breakwater under wave excitation is presented and tested by a physical model experiment. It is concluded that the simulation procedure is reliable and can be applied to the dynamic stability analysis of caisson breakwaters.     

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.