规则波对平板缓变压力作用数值模拟研究*

采用计算机数值模拟方法,在FLUENT软件计算平台上建立了二维规则波数值波浪水槽,对透空平板结构底面受到的波浪缓变压力作用进行研究。数学模型采用RANS方程和k-ε湍流模型,以VOF方法处理自由表面。首先对3组典型工况进行了模拟,采用低通滤波器方法提取上托力信号的缓变部分,通过数值模拟和试验结果的比较,验证了模型的有效性。然后讨论了波陡、超高和板宽等因素对面板底部所受的最大缓变压强的影响,给出了便于工程应用的计算波浪上托力缓变压强的经验公式,以供工程设计参考。     

波浪作用下网衣结构承受载荷研究

为了研究波浪作用下渔业养殖装备的网衣受到的载荷,并探讨主要的影响因素。采用屏模型对网衣进行了数值计算,分别应用线性波理论和2阶斯托克斯波理论计算流体质点速度和加速度,并考虑自由表面变化对网衣载荷的影响。为了验证数值方法,对不同密实度网衣进行了水槽试验。结果表明,屏模型计算得到的网衣波浪载荷和试验吻合较好,2阶斯托克斯波理论计算得到的波浪水平力峰值比线性波理论计算的精度更高。网衣密实度对网衣受到的波浪载荷具有较大影响,特别是在长周期波情况,影响更为显著。     

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。     

高桩码头上部结构波浪力物理模型试验研究

在不同水位、相同波浪要素组合条件下进行波浪对码头上部结构作用力的模型试验研究,得到上部结构所受最大波浪水平力、最大波浪上托力、最大波浪水平力对应的波浪上托力以及最大波浪上托力对应的波浪水平力,分析最大波浪水平力和最大波浪上托力之间的相位差;并对最大波浪上托力和理论值进行分析比较。试验结果表明:随着水位的增高,作用在码头上部结构的波浪力先增大后减小,在设计高水位时,码头上部结构受到的波浪力最大;最大波浪上托力和最大波浪水平力并不同时出现,存在相位差。     

波浪作用下陡坡和缓坡地形对护岸工程的影响

波浪是护岸工程设计的主要动力因素,实际工程建设中,港区内航道、港池的开挖形成陡峭边坡,会使作用在护岸上的波浪形态发生显著变化,从而对护岸结构产生不同影响。为探寻不同波浪形态下护岸越浪量及波压力等变化规律,通过波浪水槽断面试验,测量了斜坡式护岸堤前波高、胸墙越浪量和波压力,研究陡坡和缓坡地形对护岸的影响。结果表明,护岸前存在陡坡和缓坡地形时,波浪对护岸的作用有明显差别。在陡坡段护岸,波浪主要在护岸中部破碎;缓坡段护岸,波浪主要在护岸上部破碎。相对而言,陡坡段护岸的堤前波高较小,越浪量较少,胸墙水平力变大,浮托力变小。由于反浪弧的影响,胸墙水平力试验值远大于规范计算值,浮托力与规范值较为接近。     

斜坡型潜导堤波浪力特性的数值研究

为研究各水位期不同波高作用条件下,斜坡型潜堤所受波浪力的特性,基于某潜导堤工程设计与物理模型资料,采用FLUENT软件建立二维波浪数值水槽,用物理模型试验数据验证模型的可靠性,对不同淹没水深和波高下斜坡型潜导堤所受波浪力进行数值计算,分析波浪力与相对波高、相对淹没水深之间的关系,结合其他形式潜堤波浪力的经验计算公式拟合得出该斜坡型潜导堤堤顶面最大波浪力计算公式。结果表明:波浪力大小受相对波高、相对淹没水深的影响较为显著,其影响机理与波浪场流体运动特征相关;相对于波高的变化,波浪力对淹没水深的变化更为敏感,且波浪力在不同的淹没水深区间和不同的作用位置均呈现出不同的变化规律。     

规则波作用下近岸透空式结构物的波浪上托力研究

基于对透空码头结构物波浪上托力研究现状的分析,运用垂向二维CFD数值波浪水槽建立模拟规则波作用下水平板波浪上托力的数值模型.通过物理模型和数值模型所获波浪压力结果的对比分析,总结平板底部流场和测点压强的分布特点,探讨不同周期波浪的最大冲击压强随波浪相对超高变化的规律.试验结果表明,规则波作用下波浪上托力的数值模拟结果与...     

基于二阶造波理论的聚焦波实验室模拟

目前实验室中的聚焦波均是利用线性叠加原理产生的,其中造波板位移为各组成波浪按线性造波理论所得分量之和。但是聚焦波浪特性会受到线性造波板位移产生的自由伪谐波的影响。文章采用二阶造波理论建立实验室中聚焦波浪造波软件,并分别采用一阶理论和二阶理论进行物理水槽和数值水槽造波实验,结果表明采用二阶造波理论可以有效地提升水槽聚焦波浪的模拟精度。     

基于数值和实验方法的非透浪梳式防波堤的水动力学特性研究

采用源函数造波法建立了三维数值波浪水槽模型,模拟了不同随机种子数(NW)下的随机波浪,与目标谱对比的结果证明当NW=200时,采用文中的数值方法可以得到较好的模拟精度;建立了随机波浪对一种非透浪梳式防波堤作用的数值模型,通过数值模拟结果和实验结果的比较,验证了该数值模型的有效性。对该非透浪的梳式防波堤的水力学特性进行了实验研究,并应用上述数值方法对结构的所受冲击波浪力机理进行了分析,数值结果证明在该结构的危险水位下,由结构的翼板和胸墙下底板所构成的异型空腔结构是导致翼板上产生较大冲击压力的主要因素。在此基础上,为了消减翼板的冲击压力,提出一种改进的结构型式,最后对该改进结构的翼板上波浪力特性和波浪反射系数进行了实验研究。     

砂质海床特性对单桩所受波浪荷载的影响

砂质海床特性极大地影响波浪与海工单桩基础结构的相互作用,而将多孔介质海床简化为刚性、 不可渗透固体海床,忽视了多孔介质海床对波浪能量的影响.研究砂质海床孔隙率、 介质颗粒平均粒径对单桩所受波浪荷载的影响,设计5种不同海床特性的波浪水槽试验.研究结果表明:在相同波浪条件下,砂质海床结构内部的孔隙流对波浪能量产生衰减作用,...     

波浪与带有窄缝结构作用的非线性数值模拟

针对波浪与带有窄缝结构作用产生的流体共振问题,采用基于域内源造波技术的时域高阶边界元方法并在窄缝内流体引入人工阻尼,建立了自由水面满足完全非线性边界条件的二维时域数值波浪水槽模型。求解中采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,运用四阶龙格库塔方法更新下一时间步的波面和速度势,利用加速度势的方法来求得作用结构上的瞬时波浪荷载。通过与已发表文献的数值与实验结果对比,验证了模型的准确性。同时通过大量的数值计算研究了共振条件入射波浪非线性对反射波高、透射波高和窄缝内波高、及结构波浪荷载和压力分布的影响。     

Experimental study of freak wave impacts on a tension-leg platform

This study investigates the freak wave impinging on a tension-leg platform through wave flume experiments. The freak waves are generated using the focused wave theory. By adjusting the wave focusing location, different incident wave scenarios at the structure location are produced. Simultaneous measurements of wave shape evolutions upon impingement, wave impact pressures on the platform deck, platform motions and tether forces are carried out for synchronized analyses of the wave kinematics/dynamics and structural responses. The variation of these parameters with the incident wave profile is studied. It is found that although applying less intensive local impact pressures as compared to the highly-breaking freak wave, the slightly-breaking or non-breaking freak wave imposes the same level of adverse effect on the platform's global stability in terms of motions and tether forces. In addition, the high-crest freak wave causes violent motions of the floating platform, which are likely to induce snap loads of large amplitude and high occurrence frequency in tethers. The published results would provide useful benchmarks for validating numerical and analytical models.     

Inhomogeneous wave load effects on a long,straight and side-anchored floating pontoon bridge

In this paper, we present a numerical study on the hydroelastic response of a 4.6 km long fjord crossing floating bridge subjected to wave loads. The bridge is straight in design and supported by 35 pontoons along its full length. To limit the response to horizontal loads, four clusters of deep water mooring lines are engaged to increase the transverse stiffness of the bridge. Owing to the very large span across the fjord, inhomogeneity in the wave field exists. This study examines the various effects of inhomogeneous wave loads on the dynamic responses of the floating bridge. These include the spatial variations of the wave direction, significant wave height and peak period as well as the coherence and correlation of waves along the entire length of the floating bridge. For the purpose of comparison, the dynamic bridge responses under homogeneous wave load cases are also studied. In addition, the effects of wave load components and short-crestedness are presented and discussed.     

天科院大比尺波浪水槽的建设与应用前景

交通运输部天津水运工程科学研究院于2014年7月建成一座大比尺波浪试验水槽,该水槽长450 m、宽5 m、深8~12 m,目前是世界上尺度最大和造波能力最强的波浪试验水槽。文章首先分析了国内外大比尺波浪水槽的现状,并简要介绍了德国、日本、荷兰和中国台湾地区的大比尺波浪水槽,进一步结合天科院大水槽的功能设计及相关设施,分析了天科院大水槽的应用前景。     

非线性波浪水槽内波浪的产生和传播

文章在波浪水槽内通过数值模拟和物理实验相结合的方式,研究了波浪的产生和传播问题。在高阶谱计算模型中引入数值造波边界条件,建立了非周期谱波浪水槽。基于该水槽研究了具有不同波要素波浪的产生和传播问题,通过与理论解的比较验证了数值结果的正确性。结果表明线性波浪理论可预测具有较小Ursell数波浪的传播,而随着Ursell数的增大,波浪的运动可用二阶波浪理论解来描述。最后通过数值模拟结果和实验结果比较,验证了数值水槽的有效性,分析表明,波面升高及其对应振幅谱的计算结果与实验数据吻合较好。     

单向不规则波群的实验室模拟和分析

文章基于改进的波包谱经验公式,建议了单向不规则波群的数值模拟方法,模拟实例表明,只要给定波要素及描述波浪群性的高度特征参数和长度特征参数,即可通过此波包谱方便地模拟出同时满足给定高度和长度两方面群性特征要求的不规则波群.在此基础上,给出了在水槽指定位置处产生不规则波群的造波板控制信号计算方法,在实验室成功地模拟了同时满...     

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。     

基于VOF方法的不规则波数值波浪水槽的阻尼消波研究

对基于VOF方法的不规则波数值波浪水槽进行了阻尼消波研究。在水槽右端的出流边界处,设置了一定长度的海绵层来吸收波浪,海绵层的衰减系数采用线性分布的形式。通过不同入射波参数的数值计算结果,比较了不同形式的衰减系数和参数的海绵层消波效果,给出了对应不同波要素范围的海绵层参数取值范围。对浪高仪位置处波面历时采用两点法进行了分离,波浪的反射率满足计算要求,给出了数值水槽中不同时刻波面高度空间分布情况,应用快速傅里叶变换得到计算波谱,计算波谱与靶谱吻合较好,计算结果表明所采用的海绵层阻尼消波是一种很好的边界处理方式。     

波浪作用下岸坡动力响应试验研究

利用波浪水槽对波浪作用下岸坡孔隙水压力响应进行试验研究,观察分析岸坡坍塌破环现象和机理,试验入射波采用椭圆余弦波。试验结果分析表明,岸坡内孔隙水压力随波高和周期的增大而增大,岸坡土体介质与介质孔隙水压力密切相关,孔隙水压力对岸坡稳定性有重要影响。     

透空式防波堤透浪的数值模拟

基于FLUENT求解器,以N-S方程为控制方程,采用动量源方法及追踪自由面的VOF方法,建立了同时具有造波和消波功能的数值波浪水槽。利用该数值水槽对透空堤的透浪、越浪问题进行数值模拟,并与物理模型试验进行比较,结果表明:数值模拟能较好地复演防波堤越浪、透浪过程。