基于OpenFOAM的弧形防浪墙受力特性的数值模拟研究*

弧形防浪墙具有优良的返浪效果，工程应用较多。本文以弧形防浪墙为例，基于OpenFOAM开源程序，应用雷诺平均Navier-Stokes方程描述流体运动，建立了波浪与结构物作用的二维数值模型。通过试验验证所建立的数值模型，探讨不同形式弧形防浪墙所受波浪压强分布特点的异同、弧形防浪墙圆弧半径对所受波浪力的影响。结果表明：在不同波浪要素条件下，弧形防浪墙迎浪面所受波浪压强随测点高程的增大而减小，同一测点上所受波浪压强随弧形防浪墙圆弧半径的增大而减小。防浪墙迎浪面受到的波浪力随着波高的增大而增大，随波长的增大先增大、再减小、再增大，且在波长最大时波浪力达到最大值。在相同波长下，波浪力随圆弧半径增大而减小。     

随机波下大圆筒防波堤整体防浪掩护试验研究

防波堤的稳定性和消波特性是直接反映防波堤工程质量和使用功能的重要指标。通过港池模型试验,研究委内瑞拉卡贝略集装箱码头大圆筒防波堤在百年一遇随机波作用下断面稳定性、波压力、越浪量等的分布规律。试验表明,圆筒迎浪面所受波浪压力最大,且随着入水深度的增加呈递减分布;防浪墙在其23处波压力最大,此时迎浪面为防波堤波压力最大处;在防浪墙与圆筒交界处,由于半圆形防浪墙在两侧漫水的作用,最大波压力出现在两侧;防浪墙顶有越浪现象发生;堤后波高主要由越浪水体及筒间透射的波浪引起,而在堤后150 m处波浪已趋于稳定;圆筒间距对筒壁上的波压力影响不大,而对防浪墙的波压力影响较明显。     

不规则波工况下弧形防浪墙波浪载荷试验研究

现有关于弧形防浪墙的研究大多是针对越浪量的,对其上波浪载荷的研究涉及的不多.为弥补现有研究成果的不足并为弧形防浪墙稳定性设计提供参考,文中以复式海堤弧形防浪墙为例,以1∶15为比尺设计了不规则波断面模型试验.布置压力探头对弧形迎浪面的波压力信号进行采集,通过积分法得出合力.通过对不规则波作用下弧形防浪墙所受波浪载荷峰值的概率分布和波浪载荷变化规律进行研究,得出:威布尔分布公式对弧形防浪墙不规则波作用下波浪载荷的概率分布进行拟合效果良好;水平波浪力、垂直波浪力和波浪力矩的最大值、2%累计频率值以及1/3大值平均值均随水深的增大而增大,随波周期的增大而增大,随波高的增大而增大.     

畸形波作用下浮体的载荷与响应研究新方法

基于线性波叠加原理,采用能量聚焦的方法在二维粘性数值波浪水池中生成畸形波。基于流固耦合理论与切片原理,提出一种快速便捷的模拟波物相互作用的新方法,模拟了浮式体遭遇畸形波的过程,计算得到了甲板上浪水位高度、上浪水体对浮体的砰击压强、结构物的运动响应及波物相互作用的响应云图等。其中,波浪谱采用JONSWAP谱,流场控制方程为不可压缩流体的连续方程和N-S方程,自由液面由VOF法来捕捉,在数值水池尾段的动量方程中添加源项以消除后端壁面的波浪反射。     

大连大窑湾一期防波堤工程曲线型防浪墙防浪效果的试验研究

文章中就圆弧型及抛物型曲面挡浪墙的防浪效果进行了对比，说明曲线防浪墙对阻止越浪是十分有效的。文中还给出了墙面波压力分布的实测数据。试验研究表明，若防浪墙的线型选择得当，可以在不提高堤顶高程的情况下达到阻止越浪的目的。防浪墙曲面的型式及其波浪力计算方法的探讨，对防浪有严格要求的码头与护岸工程设计具有重要意义。     

基于斜坡堤圆弧面灯桩结构的波浪力研究

斜坡堤上圆弧面灯桩结构的波浪力研究对防波堤的设计和稳定具有重要意义。通过在波浪水槽内进行物理模型试验,对不同位置波压力随时间的变化过程、波压力沿结构表面分布规律以及当水平力或垂直力最大时各测点的同步波压力分布特性进行分析,再将试验结果与规范直立式胸墙的波浪力计算结果进行对比。结果表明,无掩护部分的波压力主要由冲击压力和缓变压力组成,有掩护部分的波压力表现为缓变压力;从灯塔顶部到上灯桩基础,波压力随相对高度的减小而先增大后减小,当水位超过结构物一定高度,且有块体掩护时,底部波压力近似均匀分布;水平力最大时的最大波压力发生在无块体掩护的灯塔的中下部;半掩护条件下,灯桩结构所受波浪水平力比无掩护条件下小,比全掩护条件下要大;基于海港水文规范公式得出修正系数以及拟合公式,可用于计算斜坡堤上此结构形式的波浪水平力。     

弧形防浪墙的模型试验

通过物理模型试验,测量不同底高程条件下防浪墙顶部的越浪量、迎浪面及底面上的波浪压强和防浪墙的整体稳定性。对测量数据进行分析后的结果表明:在相同的波浪要素和水位条件下,防浪墙底面高程的差别将直接影响到迎浪面和底面上波浪压强的大小以及防浪墙的整体稳定性等。最后,根据模型试验结果,给出有助于弧形防浪墙设计的一些建议。     

直立堤弧形防浪墙波浪压强的试验研究

文中通过物理模型试验开展了不同参数的波浪对不同结构型式直立堤弧形防浪墙的作用研究,对不同结构型式的直立堤弧形防浪墙所受到的波浪作用的试验数据进行了统计分析,讨论了波浪压强在直立堤弧形防浪墙迎浪面的分布特征,以及波浪压强与入射波波高H、波浪周期T的关系;比较了不同结构型式直立堤弧形防浪墙上波浪压强的分布特点.     

大圆弧防浪墙在防波堤工程中的应用

为了有效降低斜坡堤的顶高程,同时又不降低抗御波浪爬高的标准,常在堤顶设置防浪墙。大圆弧防浪墙首次 在国内的防波堤工程中应用,节约工程投资并增强墙身的景观效果。对实际工程进行断面物理模型试验,通过实测越浪量 与规范计算结果对比,进一步验证在防波堤工程中采用大圆弧防浪墙具有一定的经济型和合理性。     

规则波作用下挡浪板式防浪墙波浪力研究

通过物理模型,对挡浪板式防浪墙的波浪力进行研究。研究表明:规则波作用下挡浪板式防浪墙的水平波浪力和浮托力随时间变化呈双峰现象,水平总波浪力与浮托力随波高、水深的增大而增大,随波坦的增大先减小后增大;挡浪板式防浪墙挡浪板倾角的不同不影响波压力的分布规律,相同工况下,波浪力随倾角的减小而增加。据此,得出不同倾角下水平波压力换算系数公式,并对工程设计提出相应建议。     

不同圆弧半径直立堤胸墙波浪力的试验与分析*

为比较直立堤胸墙圆弧半径对其所受波浪力的影响,设计半径分别为45、67、98 cm共3种弧形胸墙以及直立式胸墙进行相关物理模型试验。通过将胸墙迎浪面不同测点波浪压力进行积分获得波浪总力,讨论相对波高、相对波长和圆弧半径对胸墙波浪力的影响。研究结果表明,胸墙波浪力随着相对波高的增大而增大,随着相对波长的增大呈现先增大-后减小-再增大的变化趋势。相同波浪要素条件下,弧形胸墙波浪力较直立式大;在3种弧形胸墙中,波浪力随圆弧半径的增大而减小,半径为45 cm的弧形墙受力最大。     

悬挑框架式海堤不规则波浪力特性研究

以浙江温州浅滩二期生态堤为例,在波浪港池中开展物理模型试验,探究悬挑框架式海堤在不规则波作用下的受力特性。测量不同入射波条件下海堤直立墙和悬挑的波压强值并分析其随时间变化特性,得到各工况下海堤结构上波压强的分布特征,并探讨结构受力的主要影响因素,对结构所受波浪总力及其影响因素进行冗余分析(RDA)。结果表明：海堤直立墙在波峰作用下,水平方向不同位置受力存在相位差,且潮位以上、以下部分受力过程差异较大;极端工况下海堤直立墙与悬挑连接处所受压强最大;结构整体所受最大竖向总力为5 653.125 kN,约为最大水平总力的70%;有效波高相较于潮位与结构受力的相关性更大。在悬挑框架式海堤设计中,应保证直立墙与悬挑连接处的强度,充分考虑波浪竖向荷载以及最大波高出现情况对整体稳定的影响。     

带1/4圆弧面胸墙的沉箱防波堤的波浪力研究

基于带1/4圆弧面胸墙的沉箱防波堤的波浪水槽物理模型试验,通过对试验中获取的堤身及上部结构波浪压力数据的分析,得出波浪作用下防波堤水平力、胸墙竖向力和防波堤基底浮托力的分布特性,并通过对试验结果的计算分析,提出对合田公式的修正方法,该修正公式适用于带1/4圆弧面胸墙的沉箱防波堤的波浪力计算。     

不同间距下大直径圆筒防波堤波吸力试验研究

防波堤的波浪力计算对防波堤的设计和稳定具有重要意义。针对目前圆筒防波堤波吸力的设计计算方法尚未成熟,通过开展物理模型试验,进行不规则波作用下不同间距下大直径圆筒结构波吸力的分布规律、影响因素和计算方法研究。结果表明:波谷作用下,大直径圆筒结构波吸力的横向分布规律与圆筒的间距有关,纵向分布规律表现为随着水深增加先线性增大然后线性减小,且最大波吸力的位置出现在静水位一倍波高以下。圆筒的相对间距、相对水深以及波陡对不同间距大直径圆筒防波堤的波吸力影响较大。基于直立墙结构波吸力公式给出折减系数的拟合公式,用以计算圆筒周身迎浪面的波吸力。     

水力插板与抛石斜坡复合堤稳定机理

在海岸防护堤坝工程中,采用水力插板桩技术修筑直立墙,并在墙前水下形成抛石护坡,此种水力插板与抛石斜坡组成的的复合堤,已在工程实践中表现出良好的安全稳定性。对直立堤、抛石堤以及复合堤3种堤型开展不同波况下直立墙上和抛石护坡中波压力的试验研究,对复合堤的稳定性优于直立堤和抛石堤的机理进行分析。试验结果表明,抛石护坡明显降低了直立墙上的波压力,减轻了波浪冲击;直立墙阻止越浪带动抛石堤顶部块体向堤后运动,避免抛石护坡的过度破坏。两者结合使复合堤具有比直立堤和抛石堤更好的稳定性。     

有护面块体掩护的斜坡堤弧形胸墙波压力研究

弧形胸墙可以有效减小斜坡堤越浪、降低胸墙顶高程,因此越来越多地在工程中采用。但在规范中对斜坡式防波堤弧形胸墙波压力计算方法没有明确规定。结合工程实例,将弧形胸墙波压力物理模型实测结果与现行规范直立胸墙波压力计算结果进行对比分析,总结了该工程防波堤弧形胸墙在有掩护条件下所受的波压力情况,供工程设计参考。     

削角直立堤断面稳定性及波浪力分析试验研究

通过模型试验观测波浪作用下削角直立堤断面的稳定性、堤顶越浪情况及削角直立堤受力情况,并与依据《海港水文规范》和《防波堤设计与施工规范》计算的波浪力理论值进行了对比分析,结果表明,上部结构采用削角型胸墙的直立堤具有减轻波浪水平压力,增加竖向压力,提高堤身稳定的优点。并通过实测波浪力的合成总力计算,得出了削角直立堤断面整体稳定。     

斜向和多向不规则波作用于直墙堤上的波浪荷载

基于三维波浪物理模型实验研究的结果,参照国内外已有的研究成果,探讨了波浪斜向性和多向性对不规则波作用于直墙堤上波浪荷载的影响,表明波浪是否在堤前破碎其影响波浪荷载的规律是不同的.建议了斜向和多向不规则波作用于直墙堤上波浪荷栽的实用计算方法.     

不规则波作用下带挑檐直立堤爬高与越浪量试验

通过物理模型实验,对带挑檐直立堤在不规则波作用下的爬高和越浪量进行观测,分析墙顶超高、挑檐宽度以及波坦等影响因素。结果表明:直立堤波浪爬高主要与波高有关,周期影响不大;堤顶超高、挑檐宽度和波坦是直立堤越浪量的重要影响因素,但挑檐宽度对直立堤越浪量的影响程度与堤顶超高有关。根据试验结果,提出了直立堤波浪爬高和越浪量计算方法,为实际工程设计提供参考。     

半潜平台内孤立波载荷特性数值模拟

以三类内孤立波理论KdV、e KdV和MCC的适用性条件为依据,采用Navier-Stokes方程为流场控制方程,将内孤立波诱导上下层深度平均水平速度作为入口边界条件,建立了两层流体中内孤立波对半潜平台强非线性作用的数值模拟方法。结果表明,数值模拟所得内孤立波波形及其振幅与相应理论和实验结果一致,并且在内孤立波作用下半潜平台水平力、垂向力及其力矩数值模拟结果与实验结果吻合。研究同时表明,半潜平台内孤立波载荷由波浪压差力、粘性压差力和摩擦力构成,其中摩擦力很小,可以忽略;水平力的主要成分为波浪压差力和粘性压差力,粘性压差力与波浪压差力相比较小却不可忽略,流体粘性的影响较小;垂向力中粘性压差力很小,流体粘性影响可以忽略。此外,半潜平台对内孤立波的波形及其诱导流场的影响很小,因此采用Morison和傅汝德—克雷洛夫力公式计算其内孤立波载荷是可行的。