威海船厂港域泊稳试验研究与数值模拟

针对威海船厂搬迁工程进行了港域波高物理模型试验研究。试验表明在2 a一遇波浪条件下大多数泊位满足泊稳要求,个别泊位不满足要求但相差不大。采用MIKE21-BW模型,考虑波浪的反射、绕射、破碎等物理现象建立近岸波浪数学模型,对港域单向不规则波传播变形过程进行数值模拟,将数值计算结果与试验结果进行比较。二者在港池外有效波高最大差值为0.29 m,港池内最大差值为0.1 m,吻合度较高,表明BW模型可用于威海船厂近岸波浪传播变形与泊稳计算。     

掩护型小面积港域不同尺度对港内波浪条件的影响

在理想地形条件下用MIKE21-BW模块进行了港域与波长不同比值(a/L)情况下掩护型小面积港内波浪分布计算,分析a/L对港内波浪条件的影响规律,并依据青岛造船厂造船基地码头工程对其进行了相应的计算,为小面积港域的规划和设计提供科学依据.     

港域波浪联合绕射、反射特性试验研究

针对港域波浪在绕射、反射联合作用下波况复杂的特点,基于港口波浪整体物理模型试验,对不规则波作用下港域内波高扰动系数的分布规律进行研究。研究表明:在波浪绕射作用或波浪反射作用占主导地位的掩护区域,多向不规则波的扰动系数与谱峰周期正相关,且周期相差越大,扰动系数相差越大。在波浪反射占主导地位的波浪绕射联合作用下,单向不规则波的扰动系数随谱峰周期的变化无明显规律性关系,且波浪反射对波向十分敏感。在存在原有建筑物反射的物理模型试验中,需要将模型边界反射模拟准确,否则可能造成试验失败;数学模型亦然,对相关建筑物需选取合适的反射系数。研究结果对后续的港口工程建设有重要的借鉴意义。     

在墩柱群周围波浪变形的数值模拟

我们曾经将基于Boussinesq方程的波浪数学模型用于研究海岸带非线性波浪的传播变形以及与建筑物的相互作用，数学模型采用有限差分法解出，为进一步验证模型的正确性和使用价值，又将模型用于解决浅水区域的墩柱群周围的波浪变形，结果得出较为精确的波浪分布，并表明保持适当间距的墩柱群可以有效阻挡波浪的传播，削减波浪强度，起到良好的防波效果，可望成为重力式防波堤的1种有效替代方案。     

随机波浪联合折射绕射数学模型

基于波浪能量谱理论,导出了考虑底摩擦的复杂地形能量谱的联合折射绕射数学模型,在能量谱为单一频率组成波时,模型则简化为规则波的联合折射绕射方程.实际计算结果表明:本文提出的随机波浪联合折射绕射数学模型是合理的,在浅水区应该考虑底摩擦作用.     

不规则波作用下的港域波浪条件试验研究

针对数学模型很少能较好地模拟天然海浪的多向性、不规则性的特点,基于港口波浪整体物理模型试验,对不规则波作用下港域内测点的波高扰动系数的分布规律进行研究。结果表明:在绕射作用为主的掩护区域,多向波的绕射性能大于单向波,波浪扰动系数较大;波浪绕射、反射作用均十分强烈的掩护区域,多向不规则波与单向不规则波的扰动系数看不出明显的大小关系。以反射作用为主的掩护良好区域,单向不规则波的扰动系数较多向不规则波的要大,且受反射作用越大的区域,单向波的扰动系数大的越多。在以绕射作用为主的掩护区域,波浪分布对周期的敏感性较差;在以反射作用为主的掩护良好区域,波高分布对周期的敏感性较强。在绕射、反射都较强的情况下有可能单向波作用下的港内波高大于单向波,用单向不规则波来模拟反而是偏安全的。在进行港内波况整体模型试验时需要根据实际的工程条件做出综合考虑来决定波型,必要时要对单向、多向不规则波都要进行试验以确定最佳方案。     

潜堤掩护港域波浪传播数值模拟

采用基于Boussinesq方程的平面二维波浪数学模型,将潜堤作为动边界处理,对潜堤掩护港域的波浪传播变形进行数值模拟研究。首先,采用Ohyama等的潜堤试验数据,就数学模型对人工潜堤上波浪传播变形问题的适用性进行验证探讨;其次,针对某渔港外部潜堤防护工程,采用数学模型进行波浪场推算,分析潜堤的消浪过程,同时将模拟得出的波浪透射系数与国内外经验公式计算值进行对比,结果表明该数值模拟方法是有效的。     

管架式海上养殖平台的整体强度分析

管架式海上养殖平台作为网箱的浮式管理基站以及大型渔业生产综合平台,其结构强度及抗风浪能力是研究平台能否应用于离岸养殖的关键所在。基于设计波法对海上养殖平台整体强度进行了研究分析,计算平台所说的剖面载荷,采用绕射理论计算平台所受到的波浪载荷,根据平台的水动力响应特征量定义了6种危险工况及其对应的设计波参数,分析不同危险工况下平台整体结构强度,对比探究不同结构的海洋养殖平台整体强度差异。结果表明,平台的最大等效应力为14.2 MPa,小于平台的许用应力18.7 MPa,平台的整体强度满足要求,可以作为养殖平台进行实际的生产和使用。     

谱方程模型在设计波要素计算中的应用

为分析谱方程模型在设计波要素计算中的适用性,以长江口口内水域的设计波要素推算为例,首先利用海图数据及长江口河口段地形数据构建波浪数学模型(MIKE21-SW模块),并验证了寒潮期间南槽东测站的风浪过程。然后对长江口附近气象站风速资料进行分析,确定计算水域的设计风速。最后在验证模型适用性的基础上,计算得到特定水域的设计波浪要素。     

人工航道对波浪传播规律的影响

波浪在传播过程中,遇到建筑物和地形变化时,会发生绕射与折射,对波浪的传播、变形具有显著的影响。作者建立了基于Boussinesq方程的波浪数学模型。采用所建立的数学模型对双突堤条件下有、无航道时港内的波浪分布分别进行了数值计算,并将上述两种条件下的波浪分布情况进行了比较。结果表明,开挖航道对波浪的传播变形影响较大,不能用纯绕射来代替波浪的折、绕射联合作用。     

强浪条件下半掩护港区波浪场数值模拟

以以色列南部新建Ashdod码头为工程背景,在分析港区自然条件的基础上,利用二维河口与海岸模拟软件MIKE21,建立了基础方案各个施工阶段港内泊稳模型。通过对不同施工阶段下半掩护港区波浪场进行数值模拟分析,掌握了港内波浪场的分布情况,确定港内正常施工时防波堤口门处的容许波浪要素。根据防波堤口门处的波浪统计资料,得到港区不同区域的最大作业波高标准以及港区不同区域不同施工阶段下全年不可作业的天数。研究结果为工期的合理安排和作业窗口的确定提供依据,并提出了科学合理的施工工序建议。     

利用数学模型进行港内长周期波浪风险分析

针对港内长周期波风险问题,使用MIKE 21 BW模型建立了港内波浪传播数学模型。模型的构建使用了白噪谱和天然波况作为入射波浪条件。基于白噪谱的模拟结果,使用数字滤波技术分析了港池固有共振周期,并给出了相应共振周期下的水面高程和能量密度分布;基于天然波况的模拟结果,提取了泊位处的波高时间序列,以30 s为界限,分离出了长周期波。以西非某港为例,探讨了港池的长波风险,模拟结果可作为港池布局的参考依据。     

海港工程疏浚对波浪传播的影响

针对海港工程疏浚边界处大角度入射波浪的显著折射和类似"全反射"现象,及其可能对航道、防波堤及港内不同位置产生的不利影响,采用Boussinesq方程建立典型数学模型,并对相关控制性试验要素进行无量纲处理,试验得出不同条件下的波浪场分布及各要素的影响规律。结果显示,各类影响要素中,入射波高-水深比、海底坡度、入射角对最大波高值及波能聚集位置的影响相对显著。     

不规则波对方箱浮式防波堤作用的数值模拟

采用线性波浪叠加法对不规则波进行数值模拟,采用时域边界元法对不规则波作用下的方箱浮式防波堤进行数值模拟。首先验证了不规则波的数值模拟的准确性,进而对不规则波作用下固定方箱浮式防波堤的受力进行数值模拟,并与规则波结果进行比较。结果表明不规则波作用下,单位宽度方箱垂向受力最大值要大于水平受力的最大值;与规则波情况相比,方箱的水平向受力变化幅度减小,垂向受力和横摇力矩则幅值增加。     

单向和多向不规则波作用下港域波浪数值研究

采用MIKE-BW模型对TEMA港内波浪场进行数值模拟和验证,二者吻合良好。在此基础上对比分析单向和多向不规则波作用下港内波浪条件,以及随入射波向和谱峰周期的变化规律。结果表明:在以绕射为主的模型中,多向波扰动系数大于单向波,此时采用多向波更加安全合理,并且在模型计算中,不可忽视地形变化对港域波高分布的影响;在模型边界反射较强的模型中,单向波扰动系数可能大于多向波扰动系数,此时采用单向波会更加安全。     

内河挖入式港池回流流速分布规律的数值模拟

采用k-ε双方程湍流数学模型,建立了三维内河挖入式港池数学模型,分析了不同主流流速及不同港池轴线与主流流向的夹角对内河挖入式港池内的水流运动特性的影响,获得了港池内回流流速的分布规律。研究结果表明,垂向流速值随着主流流速的增大也相应增大;回流横轴断面上各测线平均流速从回流中心向两侧逐渐增大。数值计算结果与模型试验的对比分析表明,数值模拟能够较好的模拟内河挖入式港池内的回流运动特性。     

波高对桩柱最大水平波浪力新算法精确性影响

对Morison方程进行适当变形、推演,得到了一种可直接计算近海平台支撑物所受最大水平波浪力的计算方法。将此计算方法与经典计算法进行对比。对比发现,当阻力相对于惯性力起主要作用时,新算法与经典算法所得结论完全一致。当惯性力相对于阻力起主要作用时,新算法存在一定偏差,在该情况下,使用Matlab辅助计算,得到了波高对桩柱最大水平波浪力新算法精确性的影响曲线。     

基于AUTODYN的水下爆炸冲击波模拟研究

为提高水下爆炸冲击波的模拟精度,基于AUTODYN程序,采用数值模拟和实验研究相结合的方法,研究了网格密度、状态方程等对数值模拟结果的影响.发现要同时获得较好精度的压力和冲量模拟结果需要设置较高的网格密度;而状态方程的不同也有影响,计算结果表明,相对于多项式状态方程,SHOCK状态方程模拟中远场冲击波时更为准确.基于上述研究结果,通过设置较高的网格密度并利用SHOCK状态方程模拟了实验室小水池水下爆炸的冲击波传播情况,发现无论是峰值压力还是压力衰减趋势的模拟结果都和实验相符,说明了AUTODYN模拟冲击波传播的精确性.