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。     

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。     

弧形防浪墙的迎浪面波压力数值模拟

以Navier-Stokes方程为控制方程,使用VOF方法追踪自由液面,对FLUENT进行二次开发,将各功能区的源项表达式添加到动量方程中,从而实现动量源造波和消波。模拟二阶Stokes波作用下不同断面形式防浪墙的流场和波压力,并将计算结果与物理模型试验数据进行对比,结果吻合较好。比较直立式和弧形防浪墙波浪压力数值计算结果可以发现,在相同水位和波浪要素情况下,作用在圆弧墙上的最大点压强明显大于直立墙,而且最大压强发生在圆弧部分,工程中应该对圆弧部分进行加固处理。     

波浪与非透空梳式防波堤作用的试验研究

对不规则波浪作用下的非透空梳式防波堤结构进行了物理模型试验研究.试验分析了非透空梳式防渡堤结构表面波浪压强的分布规律及工程危险水位;为寻求消减翼板波浪压强的工程解决方案,进而对3类改进的非透空梳式防波堤结构翼板上的波浪压强分布和堤前波浪反射系数进行对比分析,最终确定工字体挡板梳式结构为工程推荐结构.     

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。     

新型板桩承台式直立堤波压强试验研究

通过物理模型试验,对不规则波作用下新型板桩承台式直立堤结构波压强进行研究。试验结果表明,影响波压强值大小的因素主要包括波高、波长、水深以及堤顶超高,受挑檐影响,波浪相对压强在竖向分布规律主要分为四个部分。允许越浪情况下,波浪相对压强值随波高的增大而增大,随波长的增大先增大后减小,同时挑檐的存在显著的增加了静水位以上挡浪墙上的波压强值,承台底部上托压强受水深影响最为明显。当入射波浪形态发生破碎后,结构上波压强值将显著增大,于建筑物最为不利。在规律分析研究的基础上,结合现有直立堤波压强理论公式,提出了带挑檐板桩承台式直立堤波压强计算公式,公式结果与试验值吻合度较高,可供类似工程参考借鉴。     

低桩承台直立式结构波浪作用力研究

针对低桩承台直立式结构的波浪力计算,设计通常参考《港口与航道水文规范》中波浪对直墙式建筑物的作用力计算方法,但由于承台前沿线与承台下方的直立墙不在同一直线上,使得两者的波浪力存在差别。以深圳机场三跑道海堤工程为研究对象,通过物理模型试验,研究不规则波作用下低桩承台直立堤波浪作用力变化规律。研究结果表明,承台底部冲击压强在Δh/H_s=0. 2附近出现峰值;承台前沿波浪压强受承台结构的影响较小,其变化规律与直墙式建筑物波浪压强相似;承台下方直立墙波浪压强在-0. 5Δh/H_s≤1. 5时,具有明显的冲击特性,是普通直墙式建筑物波浪压强的数倍。     

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.     

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。     

浅谈防波堤设计经济技术性

防波堤在渔港设计的技术及造价方面都占有重要地位,寻求经济合理结构形式成为防波堤设计关键点及难点。本文以长屿二级渔港为例,通过对斜坡堤堤顶的扭王体+防浪墙与扭王体+四角空心方块及直立堤与斜坡堤的比较,结果表明在水深浅、波浪较大位置处采用斜坡堤顶扭王体+四角空心方块结构较为经济,在水深较大、浪较小地方采用高基床与沉箱结合直立堤结构形式较为经济。     

离岸透空式结构波浪上托力计算方法的探讨

在分析前人试验研究成果的基础上,结合透空式码头结构型式,提出作用在透空式结构面板上的波浪上托力压强分布形式为:同一时刻既有冲击型上托力压强分布,又有均布型上托力压强分布,并给出上托力的计算宽度和总上托力的计算方法。     

斜向波浪对斜坡堤胸墙作用力的试验研究

斜坡堤胸墙的稳定性主要受到波浪作用的影响,而且实际工程中斜坡堤多受斜向波浪作用。通过斜向与正向不规则波对斜坡堤胸墙作用的物理模型试验研究,分析斜坡堤单个胸墙所受的斜向波浪总力的折减系数随水位和波浪入射角度的变化规律,并与斜向波浪对单元直立堤的作用情况进行对比。结果表明:斜坡堤单个胸墙所受的斜向波浪总力的折减系数总体上随着水位的降低而变小,随着波浪入射角度的减小而变小;斜向波浪总浮托力的折减系数一般小于总水平力的折减系数;在不同水位和波浪入射角下,斜坡堤单个胸墙所受的斜向波浪总力的折减系数与单元直立堤有一定差别。     

削角直立式防波堤波浪力的试验研究

为了研究削角直立式防波堤上波浪力的分布规律，寻求适合于削角直立堤的波浪力计算公式，通过对削角沉箱防波堤的不规则波物理模型试验，得到了作用在防波堤上的水平波浪力、削角斜面上的竖向力以及堤底面上的浮托力系列，经与合田良实直立堤波浪力计算公式对比，表明作用在防波堤迎浪面的波压力分布与合田方法相近。根据分析检验，提出了相应的水平波浪力、斜面竖向波浪力以及堤底浮托力的不确定系数，并建议对斜面竖向波浪力的计算值进行适当调整。     

基于神经网络的多向波作用下直立堤越浪量预测模型*

海岸工程中常采用直立堤的结构形式，波浪作用下的越浪量影响因素众多，特别是考虑实际多向波的作用，目前并没有统一的计算方法。利用神经网络方法在计算回归问题上的优势，构建反向传播神经网络模型，采用物理试验数据构建训练集，建立多向波浪作用下直立堤越浪量的预测模型。通过与测试集、经验公式以及其他物理模型试验结果的对比，显示了本模型具有良好的预测精度，可满足工程设计需要。利用该模型进一步分析波浪入射角度和方向分布宽度对波浪越浪量的影响规律，弥补了试验数据不全造成的变化规律不明显的问题。     

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。     

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。     

意大利某项目深水直立堤护肩结构设计

波浪作用于直墙上会造成水体的强烈紊动，从而对直立堤的明基床及其前面的海床产生淘刷作用，尤其对于处在深水区、受大浪作用同时产生立波的情况下，破坏作用更明显。为避免波浪的运动对直墙结构带来严重的后果，直立堤前设置稳固的防冲刷设施是非常必要的。文中所述意大利某项目的深水明基床直立堤，通过中外不同规范、手册对抛石基床护面块体重量进行计算对比，并依次采用物模试验进行验证，提出该项目的深水直立堤在大浪作用下抛石基床护面重量采用预制混凝土护肩块体设计较为合适，本文分析成果可为类似工程项目提供一定的参考。     

低桩承台直立结构波浪爬高与越浪量

针对国内规范缺乏直立式海堤波浪爬高和越浪量计算方法的问题,以深圳机场三跑道海堤设计断面为研究对象,通过物理模型试验,研究不规则波作用下低桩承台直立堤波浪爬高与越浪量,分析了波浪周期、堤顶超高、防浪墙挑檐宽度等影响因素与波浪爬高和越浪量的关系。采用最小二乘回归方法拟合,得出直立式海堤波浪爬高计算方法。运用多元线性回归方法拟合,得出直立式海堤越浪量计算方法。将越浪量计算值与试验值进行比较,表明两者具有较好的相关关系。     

透水防波堤堤心压强试验研究

透水防波堤堤心抛石体内的水体运动和压强分布规律,在海岸工程的整体安全中占据着非常重要的地位。采用物理模型试验方法,对规则波作用下,波浪与抛石透水堤的相互作用进行了研究,讨论了波高H与周期的平方T~2之比H/(gT~2)以及沿堤心的横向坐标值x_0与堤心石粒径D之比x_0/D对透水防波堤堤心压强衰减系数的影响。在前人研究成果的基础上,提出了改进的堤心压强计算公式。     

斜向波对斜坡堤胸墙波浪力的折减效应研究

总结对比了国内外现有斜向波作用下直立堤和斜坡堤胸墙波浪力折减计算方法。以北非某港口新建斜坡堤为例进行计算,并与二维、三维物理模型试验结果对比验证。结果表明：波向角呈30°作用于斜坡堤时,van Gent公式计算的单位堤长波浪力折减系数与实测值最接近,各直立堤单位堤长波浪力折减公式对斜坡堤胸墙计算整体偏保守;Mares-Nasarre公式计算的总波浪力纵向折减系数与实测值整体吻合较好,但未考虑水平力与浮托力的折减效应差异,与试验结果仍存在一定偏差;李玉成等的直立堤总波浪力纵向折减公式不适用本斜坡堤胸墙算例。研究成果可为类似港口工程提供参考。