垂直桩柱正向波流力的计算及水动力系数C_D、C_M分析方法的探讨

文中首先综述了目前常用的水动力系数C_D,C_M的分析方法,并通过大量实验结果的分析对比得出,只要按本文所定义的KC数相同,则无论是纯波场,还是波流共存场,不管是规则波情况下还是不规则波情况下,都应具有相近的C_D、C_M值。文中还通过计算值与实验结果的对比,验证了本文所述波流共存场中不规则波情况下桩柱波流力计算方法是切实可行的。     

不同雷诺数下水平桩柱的水动力待征

本文介绍了均匀振荡流中光滑水平桩柱上水动力特征的试验研究.试验中,雷诺数Re=20000～260000(该区域为亚临界区与临界区),Kc=5～40.分析中,利用最小二乘法来确定Morison方程中的速度力系数C_(?)及惯性力系数C_M;还利用最大值法及均方根值法对合力系数C_F与升力系数C_L进行分析,所有的正向力与升力系数都作为Re及Kc数的函数给出,并且各系数相对于其平均值的均方差值也在图中示出.其主要研究成果如下:当Re≥80000时,所有的水动力系数(包括C_D、C_M,C_F与C_L),几乎与雷诺数Re无关,且各系数均随Kc数的逐渐增加而趋向于不同的常数;当Re<80000时,速度力系数C_D随Re数的增大而减小,而惯性力系数C_M随Re数的增大而增大.     

地震对海底悬跨管道动水力作用的实验研究

利用水下地震模拟系统,开展了刚性管道在地震作用下的水下模型实验,量测了管道周围流场的变化和管道表面的动水压力.基于Morison方程建立了地震作用下海底悬跨管道的动水作用力模型,按最小二乘原理得出管道的拖曳力系数C_D和惯性力系数C_(M°)通过对实测数据分析得出,雷诺数Re数和K_c数是影响管道受力的两个主要因素.分别对C_D和C_M随Re和K_c的变化趋势进行了拟合,得到C_D和C_M的定量表达公式.本次试验工况下,水深和悬跨高度对管道的受力影响不明显.     

作用于串列双桩桩列上的波流力

本文通过实验研究测定了双桩串列时在不规则波和水流共同作用下在不同桩距条件下桩柱所受的正向力与横向力,分析了正向力、横向力及其合力的时域及频域特性,给出了正向力和合力群桩系数随相对桩距和KC数的变化规律,文中还探讨了双桩串列时的合力值及其方向与单桩时的合力值与方向的比较。     

内河框架码头桩柱绕流水动力特性的二维数值模拟

桩柱绕流水动力特性直接决定水流对桩柱作用力的分布规律,是内河框架码头水流荷载计算的基础。结合计算流体动力学(CFD),依托内河框架码头实际工程,进行了内河框架码头大直径桩柱串列及并列4桩柱绕流水动力特性的二维数值模拟,系统分析了不同流速及不同桩间距下桩柱绕流尾流流场形态,揭示了桩柱绕流阻力系数、升力系数、斯特劳哈尔数随桩间距和流速的变化规律。研究了串列及并列4桩柱绕流流场形态和水动力特性,不同流速及不同桩间距下的遮流影响效应、遮流影响系数以及横向影响系数的变化。数值模拟与分析结果可为计算类似内河框架码头水流荷载提供一定的技术参考。     

规则波中承台和桩柱水动力的实验研究

本文对规则波作用于承台及单桩的水动力特性进行了试验研究。承台底面的压强及桩柱的水动力荷载分别采用压力传感器、四分力天平量测。主要研究了冲击压强沿承台底面的分布,给出了冲击压强随承台相对净空及相对长度的变化规律。由于上部承台的加入,下部单桩的水动作用力将变化。讨论了承台对桩柱受力的影响,并与上部无承台的单桩受力结果进行对比分析。     

东海大桥桥梁桩柱承台水动力模型试验研究--第二部分:作用于群桩及承台上的波流力

在本系列研究第一部分单桩试验的基础上,对不规则波与均匀流共同作用于斜群桩的水动力特征进行了试验研究。由于群桩效应使得各组成桩的受力不均匀,通过试验研究,分析了群桩中各组成桩及群桩总体折减系数随KC数的变化、受水深及流速的影响。在频域内采用相关函数法进行了谱分析,得到波面谱与波力谱的相关关系。初步讨论了作用在斜群桩和承台结构上的波流力。     

东海大桥桥梁桩柱承台水动力模型试验研究--第一部分:作用于单个小尺度桩柱上的波流力

本文通过模型试验研究了不规则波与均匀流共同作用于小尺度单桩的水动力特征。文中比较了不同工况下直桩与斜桩的受力特性。在频域内采用相关函数法进行了谱分析与互谱分析，得到波面谱与波力谱的相关关系．并给出波向力与波面相位差的变化规律。     

不同雷诺数下水平桩柱的水动力特征

本文介绍了均匀振荡流中光滑水平桩柱上水动力特征的试验研究。试验中，雷诺数Ｒｅ＝２００００－２６００００（该区域为亚临界区与临界区），ｋＣ＝５－４０。分析中，利用最小二乘法来确定Ｍｏｒｉｓｏｎ方程中的速度力系数ＣＤ及惯性力系数ＣＭ；还利用最大值法及均方根值法对合力系数ＣＦ与升力系数ＣＬ进行分析，所有的正向力与升力系数都作为Ｒｅ及Ｋｃ数的函数给出，并且各系数相对于其平均值的均方差值也有图中示出。其主要     

作用于群桩上的波浪力

通过规则波及不规则波的水槽试验,测定了作用在单桩上、双桩横排、纵排以及4根桩方阵排列时各组成桩上的波浪力,分析了波浪作用下桩力水动力系数,纵向力及横向力间关系,得到了群桩中各组成桩的桩力群桩系数变化规律。     

WAVE FORCES ON INCLINED CYLINDER IN REGULAR WAVES

Through a series of model tests,the wave forces on horizontal and inclined circularcylinders are measured and analyzed.Based on Morison Equation and Stokes second order wavetheory,the relationship between the hydrodynamic force coefficients with KC number and sub-merged water depth as well for horizontal cylinders are analyzed,also the relationship betweenthe hydrodynamic force coefficients with KC number,inclined angle and the effect of water freesurface as well for the inclined cylinders are investigated.     

内孤立波环境下柱体的受力特性

针对以往孤立波对柱体作用研究多只针对柱体的整体受力开展,少有研究精细获取柱体不同部位受力特性的问题,借助三维大涡模拟(LES)数值波浪水槽,通过提取柱周流场及压强分布,得到柱体所受压差阻力及黏滞力的垂向分布,对柱体在孤立波环境中的受力特性进行了分析,并采用多元线性回归分析,构造综合影响参数分析了柱体受力特性,构建了柱体受力系数经验表达式。结果表明:上下层水体中方柱所受压差阻力约分别为圆柱的1.5倍和3.5倍;作用于柱体上的黏滞力比压差阻力小1或2个数量级,可忽略流体的黏性效应;综合影响参数与相对波幅正相关,与上下水深比负相关。     

沉入式大圆筒结构入土深度计算方法研究

沉入式大圆筒结构是一种适用于软土地基的新型港口与海岸水工建筑物。本文在由水平力和力矩平衡条件建立的入土深度计算方法的基础上，进一步考虑竖向力平衡条件，建立了沉入式大圆筒结构满足稳定性要求的新的入土深度计算方法。针对一工程实例的设计条件，研究了土性指标取值、波浪力大小和竖向力平衡条件对沉入式大圆筒结构稳定性(入土深度)的影响。结果表明，土性指标和波浪力对大圆筒结构的稳定性均有显著影响，且土性指标的影响大于波浪力的影响；当竖向力较大时，竖向力平衡条件对大圆筒结构的稳定性也有较大影响。建议在实际工程设计中，应准确选取土性指标，并采用考虑竖向力平衡条件的稳定性计算方法。     

THE RADIATION AND DIFFRACTION OF WATER WAVES BY A BOTTOM-MOUNTED CIRCULAR CYLINDER IN A TWO-LAYER FLUID

An analytical method was proposed to analyze the radiation and diffraction of water waves by a bottom-mounted circular cylinder in a two-layer fluid. Analytical expressions for added mass and damping coefficients, as well as the wave excitation forces of the circular cylinder were obtained by an eigenfunction expansion method. The hydrodynamic forces on the bottom-mounted circular cylinder in a two-layer fluid include not only the added mass and damping coefficients, but also the wave forces of the surface and internal-wave modes. This is different from the case of a homogenous fluid. Some examples were given, showing that density stratification can have a relative large effect on these hydrodynamic forces over a wide range of frequencies.     

Morison方程水动力系数归一化的探讨

Ｍｏｒｉｓｏｎ方程中水动力系数Ｃｄ及Ｃｍ不仅与小尺度构件的变形，它在水中放置状态以及Ｋｃ数和Ｒｅ数有关，而且通常认为还随环境条件的不同而改变，即规则波与不规则波的系数不相同，纯波与流流共存的系数亦不同。本文探讨了将环境条件差异而造成水动力系数的变化，归化为Ｋｃ数的恰当定义和不规则波特征波的恰当选用，从而得到规则波与不规则波，纯波与波流共存不同条件下归一化的水动力系数Ｃｄ，Ｃｍ与Ｋｃ数的相关结果。     

Numerical simulation of wave interacting with a submerged cylinder using a 2D RANS model

A 2D RANS numerical model (IH2VOF) is employed to study wave interacting with a circular cylinder with a diameter of 0.02 m in a water depth of 0.27 m, with a wave period of 1.08 s and a wave height of 0.047 m. The influence of the wall proximity on the forces is analyzed for ratios between the pipe (i.e. circular cylinder) distance from the bottom and the pipe diameter varying from 0.04 to 1.5. Results of lift forces and streamlines are compared with the experimental results of Jarno-Druaux et al. (1995) and good agreement is found. Lift, drag and inertia coefficients are also compared with experimental results and the same trend of fundamental quantities with the gap between the cylinder and the bottom was obtained with the model giving slightly larger values. Finally, the influence of the method to estimate the drag and inertia coefficients in the force calculated using Morison equation is analyzed and Morison method shows the better agreement.     

桩柱上破波力的特性分析

本文分析了破碎波对桩桩使用力的机制，认为破碎在静水面以上对桩柱的冲击力和静力面以下的绕流力的机制是统一的。在计算冲击力时，水的压缩性可略去；气垫效应对曲率半径小的桩柱不显著；用现今开发的破碎流场的计算结果，可简单地用动量原理估算破碎波对桩柱的冲击荷载。     

规则波和水流共同作用下圆柱受力的研究

本文通过实验研究,基于Morison方程和线性波理论,探讨了在规则波和水流共同作用下作用于垂直圆柱上的横向力,它与正向力的关系以及它对总力的影响。根据KC数的重新定义值,文中给出了合力系数C_l、速度力系数C_d、惯性力系数C_m、升力系数C_L及升力主导频率与KC数的相关图。结果表明,在一定KC数的范围内,横向力对总力的影响不应忽略;速度力系数C_d、惯性力系数C_m及合力系数C_l与重新定义的KC数有着良好的相关性。     

Extreme wave loads on submerged water intakes in shallow water

This paper provides new guidance concerning the hydrodynamic loads on submerged intake structures located in shallow water under breaking and non-breaking waves. Results from a series of experiments conducted in a large wave flume at 1:15 scale to study the hydrodynamic forces exerted on a generic intake structure located on a sloping seabed in shallow water below breaking and non-breaking irregular waves are presented. Based on analysis of the experimental data, empirical relationships are developed to describe the peak loads in terms of characteristic wave parameters such as significant wave height and peak wave period. The distribution of the peak loads across different parts of the intake structure is also described. Drag and inertia force coefficients for the horizontal forcing on the intake structure and for the main structural sub-components are derived and presented. It is shown that the well-known Morison equation, with appropriate drag and inertia force coefficients, can provide reasonable estimates of the moderate horizontal loads, but the peak loads are less well predicted.     

SLOW DRIFT DAMPING FORCE ACTING ON A CYLINDER IN WAVES

ＳＬＯＷＤＲＩＦＴＤＡＭＰＩＮＧＦＯＲＣＥＡＣＴＩＮＧＯＮＡＣＹＬＩＮＤＥＲＩＮＷＡＶＥＳ￥ＨｕＣｈａｎｇ－ｈｏｎｇ（ＫｙｕｓｈｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，ｋａｓｕｇａ，Ｊａｐａｎ）ＬｉｕＹｉｎ－ｚｈｏｎｇ（ＳｈａｎｇｈａｉＪｉａｏＴｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓ...