基于正交试验的弧形胸墙波浪载荷对波要素的敏感性分析

以复合式海堤弧形胸墙为研究对象,选择3个因素——水深、波高、波周期,每个因素取4个水平,按照正交表L16(43)设计相关试验组次研究上述因素对复合式海堤弧形胸墙波浪载荷的影响显著性。同时研究弧形胸墙波压力分布规律和波浪载荷时程变化规律。结果表明:对于弧形胸墙压力即时分布,点位与点位之间没有固定的大小关系,但整体上来说,胸墙迎浪面下半部分的波压力普遍大于上部分;在单个波浪周期作用过程中,水平波浪力存在2个峰值,垂向波浪力存在1个峰值2个谷值,垂向波浪力峰值与水平波浪力第1个峰值几乎同时达到,此时对胸墙的稳定性最为不利;水深对波浪载荷的影响最为显著,波高其次,波周期的影响相对最小。     

B.H.型气泡高速艇规则波中纵向运动试验研究

在高速拖曳水池里开展了B.H.型气泡高速艇静水阻力及规则波纵向运动模型试验,研究了气流量、航速、波长、波高等因素变化对B.H.艇波浪中阻力、垂荡、纵摇、垂向运动加速度的影响。探讨了波高变化对饱和气流量的影响。研究结果表明:静水中B.H.艇相对减阻率可达36.25%,绝对减阻率可达20.79%,迎浪规则波中相对减阻率可达32.3%,与静水减阻效果基本相当,波长变化对减阻率的影响甚微。气层并未导致纵向运动性能的恶化,相反在一定航速与波长范围内,艇底气层能改善垂荡与纵摇运动;饱和气流量下,阻力、垂荡、纵摇及重心垂向运动加速度随波高呈非线性变化,航速增大非线性增强,波长增加非线性降低;波浪中饱和气流量随波高呈非线性变化。     

水平式混合直立护岸波浪力试验研究

通过二维物理模型试验,研究了相对波高、波陡、相对水深和直墙前斜坡块石棱体上扭王块体对水平式混合堤结构所受波浪力的影响规律。通过分析试验结果得出如下结论:直立结构各处所受波压强总体随相对波高和相对水深增大而变大;波陡对结构所受波压强的影响较小;直墙前斜坡块石棱体上的扭王块体能明显减小结构所受波浪力。通过试验值和各公式值比较可知,合田公式计算值与掩护良好的直墙受力情况相近,合田修正公式计算值能较好拟合挡浪墙的受力规律。拟合出规范修正公式计算没有被掩护直墙处的波压强。     

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。     

波陡对于扭王字块稳定性影响的试验研究

对于护面块体稳定重量的计算,目前最为常用的Hudson公式在计算护面块体稳定重量时,只考虑了波高的影响,没有考虑波陡对于护面块体稳定重量的影响。文章以两种不同重量的扭王字块作为斜坡提的护面块体,考虑3种不同的斜坡堤坡度,采用不同波陡的波浪进行护面块体稳定性的物理模型试验研究。结果表明,波浪的波陡对于护面块体的稳定性具有影响,对于同一重量的扭王字块,护面块体失稳波高随波陡减小和斜坡堤坡度变陡而减小;K_d数随波陡的增大而增大。     

振荡浮子式波能发电浮堤一体化装置性能研究

文章提出一种带消波水道的方箱型浮式防波堤与振荡浮子式波浪能发电一体化装置概念设计方案,应用ANSYS Fluent软件,通过锚泊线准静态法、多体耦合动力学理论与Newmark-β法对一体化装置进行耦合水动力计算,分析不同阻尼及水道构型参数对集成系统消波与俘能效率的影响.结果 表明,在阻尼选取区间内,线性等效电磁阻尼的俘能效率整体上大于Coulomb等效液压阻尼,增加浮子质量或增加线性阻尼系数,均可提升一体化装置的俘能效率,而对消波性能影响甚微.减小出口宽度,对俘能效率的提升有利并能提升消波性能.当消波水道入口完全浸没于水下时,俘能效率相对更高,消波效果更优.这种新颖的一体化装置构型为后续相关的消波与波浪能转换耦合水动力模型研究提供了思路与借鉴.     

超大型浮体波浪中的完整稳性研究

海洋超大型浮体通过多模块前后相连达数千米长,其完整稳性不同于常规的船舶与海洋平台结构物。论文假设超大型浮体为多模块刚性连接,在静水完整稳性分析的基础上,考虑波长、波高(波陡)、浪向、波峰波谷位置等波浪要素对其垂向弯矩的影响,计算结果表明:超大型浮体多个模块由于之间的刚性连接约束了相对位移和转角并且横向特性完全相同,其初稳性、大倾角稳性与单模块的特性一致;而通过变化波长、波高(波陡)、浪向、波峰波谷位置等波浪要素,求得的最大垂向弯矩随着模块数量的增加而有不同程度的增加,波浪中的初稳性、大倾角稳性较静水中亦有所不同。     

共轴双柱式波能装置水动力及能量转换特性研究

为解决波能转换装置向深水环境推进过程中存在的系统稳定性和能量转换效率问题,借鉴海洋工程中常用的稳性辅助构件形式,在现有的点吸式波能装置基础上引入阻尼板.基于线性微幅波假设,通过特征函数展开和边界匹配的势流半解析方法,结合多自由度振动理论,探索阻尼板的存在及其构型参数变化对获能系统水动力、运动响应及能量转换效率的影响.计算结果表明,阻尼板会降低浮子受到的波浪激励力,阻尼板与浮子间的相互作用水动力大于浮子自身运动受到的水动力,且主要体现在惯性载荷部分;阻尼板会使系统出现两个耦合共振频率,且新出现的共振频率对阻尼板半径更加敏感,在较小共振频率处的最优波能转换效率均随着阻尼板半径和浸没深度增加先增大后减小.研究结果可为深水波浪能利用的工程应用提供理论基础,为后续振荡浮子波浪能发电装置优化提供依据.     

直立堤迎浪面小角度变化的波浪力分析

基于FLOW-3D软件,采用推板造波及孔隙消波相结合的方法构建三维数值波浪水池,研究直立堤在波向与迎浪面小角度（≤15°）变化时所受波浪力。数值模拟结果表明：1）墙面测点波浪力在各堤面坡度及各测点之间随波向的变化趋势大体相似,在90°波向时有最大值。2）同一堤面坡度下墙底各测点之间波浪力随波向的变化趋势不尽相同,同时堤面坡度的存在会影响其变化趋势。3）波浪力在墙面上的分布,无论是在何种堤面坡度或任一波向作用下都基本相同。4）墙底波浪力近似梯形分布。5）在大多数波向下,墙面及墙底测点波浪力的最大值出现于堤面具有一定坡度时。     

斜向波浪作用下直立式防波堤前沿波浪特性试验研究

在波浪与结构物相互作用过程中,若入射波波向与结构物小于某个角度时,会产生沿着建筑物传播的Stem波。它的波能在传播过程中迅速集中,对堤结构的稳定性以及港内波浪条件产生重要的影响。通过三维波浪物理模型试验,对比分析了规则波和不规则波下Stem波的波高分布随波浪入射角的变化规律以及不同结构形式防波堤前Stem波的波高分布。研究结果表明：规则波和不规则波作用下直立堤前Stem波波高垂直于堤轴线方向均呈部分驻波的分布形式,规则波作用下直立堤前Stem波波高垂直于堤轴线方向的变化幅度明显大于不规则波。对于不开孔直立堤,相同入射波浪周期下,波陡较大时Stem波比波高较小;而在不同波浪周期下,波浪入射角较小时,波陡对Stem波比波高影响不大;在波浪入射角度较大时,波陡较大则Stem波比波高较小。波浪入射角和直立堤开孔与否对直立堤前Stem波比波高的影响较大,且规律明显。     

两节筏式波浪能发电装置水动力性能研究

基于CFD方法对两节筏式波浪能发电装置进行数值分析,建立二维数值波浪水槽模型,验证波与物的相互作用,并与已公开的实验数据进行对比。研究装置几何尺寸比例、相对波高、波频对装置转换效率和透射系数的影响,结果表明：几何因素对转换效率影响比较明显,当筏板长度相同时,前筏尺寸较小的,转换效率更高;总筏长度增加,转换效率也在增加,在控制成本的前提下,前后对称的筏更适合投入实际生产和使用;在装置几何尺寸相同时,装置转换效率先随波频增大,在装置与波发生共振后,继续增大波频,装置转换效率会减小。而对于透射系数只有在总长度或波频增加时,系数才逐渐变小,装置前后的比例与相对波高对透射系数的大小几乎没有影响。     

气浮箱型结构在有限水深中的波浪力研究

以箱型气浮结构为例,通过气体绝热方程考虑气体的压缩性对气-水交界面处的非线性边界条件进行推导,基于二维势流理论通过特征函数展开和匹配渐进法建立了结构波浪力求解的解析解,对不同水深宽度比、不同吃水情况下的波浪力的幅频变化规律进行讨论。结果表明:随着吃水的增加,结构的水平波浪力呈增加的趋势,结构的垂向波浪力和波浪力矩呈下降的趋势;随着水深的增加,结构的波浪力呈下降的趋势,垂向波浪力引起的波浪力矩变化比水平波浪力引起的波浪力矩变化明显。     

跨海桥梁大尺寸承台波浪力数值模拟研究

随着跨海桥梁深水化,桥墩尺寸和波浪荷载不断增加。为提高跨海桥梁安全性,通过Fluent软件建立了三维数值波浪水槽,进行了波浪作用大尺寸承台的数值模拟,分析了波高、淹没系数、周期以及承台长度对承台波浪力的影响。研究结果表明:在文章计算范围内,承台波浪力和波高基本呈线性变化关系。随着淹没系数C_s增大,承台水平力先增加后减小,而承台垂向力先减小后增加再减小。承台相对水平力f_x随承台相对长度kb先增后减,当kb=1.3左右时相对水平力达到最大。承台相对垂向力f_z随kb变化关系受承台淹没系数C_s影响:当C_s<1时,承台相对垂向力f_z随kb增加逐渐减小,其中当kb趋近于0时f_z=K_p,当kb趋近于+∞时f_z=0;当C_s>1时,承台相对垂向力f_z随kb增加先增后减,其中当kb趋近于0和+∞时f_x均趋近于0。     

沉箱孤立墩式结构整体稳定性一般规律

大型原油码头多采用墩式蝶型布置,一般情况下波浪作用是控制沉箱墩式结构整体稳定性的主要外荷载。作为设计波要素,通常选取最大波高及其对应的波周期或最大波周期及其对应的波高进行结构计算,但经多组波要素对比计算表明,并非最大波高或最大波周期为控制工况。参考数模分析群桩系数随波周期变化的成果,研究了作用于小尺度墩柱上的波浪作用随波周期和波高的变化以及沉箱孤立墩式结构整体稳定性的一般规律。     

了对垂荡运动浮子在海水淡化中的应用探讨

介绍了基于相对垂荡运动的波能转换装置进行海水淡化系统的结构及工作原理,该装置能够效率较高的吸收和转化波浪能,并利用反渗透法直接进行海水淡化。分析表明:在一定设计参数下的相对垂荡浮子所吸收的波浪能,能够满足海水淡化系统正常工作。     

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.     

兼具波浪能转换功能的双浮式防波堤性能研究

对具有波浪能转换功能的浮式防波堤性能进行评估。根据VOF技术和有限元空间离散法建立二维数值波浪水槽,在单个圆柱形浮子研究的基础上进一步模拟波浪与双圆柱形浮子之间的相互作用,记录浮子前后的波高,研究阻尼系数对波浪透射系数和波浪能提取效率的影响。结果表明,相比于单浮子系统,阻尼系数对双浮子系统的透射系数和能量提取效率影响更大,后者对阻尼系数的变化更为敏感;在相同波况下,双圆柱形浮子的能量提取效率与单圆柱形浮子的能量提取效率不是简单的2倍关系,二者的比值在研究的范围内始终大于2,这表明浮子之间的相互作用是正面的,有助于能量的提取。     

含机械整流动力输出之多自由度波能转换装置的水动力性能

为提高波能俘获效率，提出了一种由固定平台、垂直轴对称浮体、管状结构和三个动力输出（PTO）机构组成的多自由度波能转换装置，其中管状结构与固定平台之间采用万向接头连接，浮体与管状结构间采用运动导向机构连接使两者具有相同的纵摇和横摇运动，浮体沿管状结构滑动的能量俘获采用机械整流PTO系统使与之连接的发电机实现单向旋转，其余两个PTO安装在铰接轴处；利用势流理论建立了该装置水动力分析的时域计算模型，其中静水力和Froude-Krylov力采用沿浮体静浮时湿表面积分的线性和沿瞬时湿表面积分的非线性两种方法分别计算；为考虑可能出现的大幅纵/横摇运动的影响，垂向机械整流PTO负载力分解到纵荡、横荡和垂荡方向时不作线性化处理；分析了随浪规则波作用下，波高、垂向PTO和纵摇PTO阻尼系数的影响。结果表明：在相同参数下采用非线性方法所得垂向PTO的波能浮获效率及装置总效率均小于线性方法所得结果，而纵摇PTO的波能浮获效率则大于线性方法结果；波高越大，两种方法所得结果之间的差值越大。     

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。     

迎浪规则波中小水线面双体船纵向运动及波浪载荷非线性特性数值分析

基于RANS方程和VOF模型求解船体粘性兴波流场,开展了小水线面双体船(Small Waterplane Area Twin Hulls,SWATH)迎浪规则波中纵向运动及波浪载荷的非线性特性研究.通过数值计算结果与模型试验结果的对比分析,验证了文中方法的有效性;在此基础上,较为系统地分析了SWATH船的垂荡及纵摇运动响应、垂向加速度和波浪载荷的一阶及二阶量随入射波高的变化规律,指出SWATH船的运动响应及载荷与波高存在非线性的关系,尤其体现在响应共振区附近;相比于船体垂荡和纵摇运动,垂向加速度及波浪载荷的非线性特性更为显著.