考虑结构响应及轴线形状的防浪堤抗波浪冲击数值模拟研究

采用多物质ALE(Arbitrary Lagrangian-Eulerian)方法对核电站防浪堤受波浪冲击过程中挡浪墙表面波压力和结构响应规律进行研究。建立与物理模型1∶1的三维直型防浪堤-波浪耦合模型,通过与波浪理论公式和物理模型试验结果对比,验证该文采用的数值造波和耦合冲击方法的可行性。在此基础上建立与实际模型1∶1的三维直、弧型防浪堤-波浪耦合模型,分析了防浪堤结构刚度、断面尺寸以及防浪堤轴线形状对波浪冲击过程中波压力和结构响应的影响。结果表明:防浪堤前、后表面最大波压力分别出现在静水面位置和后墙底部;前墙和堤顶宽度对后墙具有保护作用;结构响应增强前墙波压力,但对后墙波压力有减弱作用;防浪堤轴线方向突变处波压力与结构应力较大。     

孤立波作用下圆柱桩波浪力计算方法研究EI北大核心CSCD

为研究孤立波作用下跨海桥梁桥墩受到的波浪荷载以得到孤立波波浪力的简化计算方法,利用计算流体力学软件OpenFOAM模拟海洋孤立波,在不同来流波高和初始水深下,开展了2组仿真试验,三维数值模拟用于直接计算圆柱体上的波浪力,二维数值模拟用于推导Morison方程所需的速度场。对比现有文献,讨论原始Morison方程应用于孤立波波浪力计算的适用性以及孤立波非线性的变化规律,并验证了引入非线性项的修正Morison方程预测孤立波荷载的适用性。研究结果表明:在计算孤立波荷载时,非线性影响不可忽视,随着波高和水深的比值H/d的增大,孤立波的非线性越来越强;相比原始Morison方程,考虑非线性影响的修正Morison方程可以更准确地预测孤立波与圆柱桩间的相互作用;应用修正Morison方程进行孤立波荷载预测时,波浪力参数C D,C M的取值与波高H、水深d、圆柱桩直径D的绝对值无关,仅与H/d有关;基于多组仿真试验结果,给出了0.15≤H/d≤0.65内波浪力参数的取值,可为孤立波荷载的快速计算提供参考。     

快速拼装式防爆墙消波性能数值模拟研究

为研究快速拼装式防爆墙墙后超压分布规律及影响因素,基于2D映射3D网格建模技术,采用AUTODYN有限元软件分别对TNT当量为6.82 kg,爆高1 m、爆距3 m、墙厚0.5 m,墙体高度为1.5 m、2 m、2.5 m的计算模型和比例爆距分别1.58 m/kg~(1/3)、1.28 m/kg~(1/3)、1.05 m/kg~(1/3)的计算模型以及比例爆距为1.05 m/kg~(1/3),爆高1 m、墙高2 m、墙厚0.5 m,爆距为2 m、3 m、4 m的计算模型进行了模拟,分析了墙体高度、比例爆距和炸药位置对墙后超压分布的影响。结果表明:墙体高度增加将显著增强防爆墙消波性能,墙体高度在1.5~2.5 m范围内变化时,墙后消波系数变化较大;随着比例爆距的减小,墙后较远处消波系数有所增大;随着测点高度和爆高增大,测点处受到的防爆墙保护效应将减小。综合考虑以上因素对墙后测点超压的影响,拟合出了计算墙后超压大小的公式,计算结果与数值模拟结果能较好的吻合。     

独柱墩-自浮式防船撞装置波浪荷载研究

针对独柱墩-自浮式防船撞装置耦合体系,开展室内波浪力试验并总结相关规律,利用试验结果验证校准AQWA数值模型。根据结构所受波浪压强的分布情况,利用Morison公式提取相应的荷载并得到结构水动力系数。考虑波浪高度、波浪周期、防撞装置断面形式和大小、防撞装置自浮比等影响因素,计算结构惯性力系数和接触力系数与相关因素的定量关系。研究表明：自浮式防撞装置起伏运动产生辐射波浪,使墩柱波压强数值偏大但不改变总体分布趋势。结构间接触力随机变化,可把结构接触力与墩柱波浪力之间的比值定义为接触力系数。计算得耦合体系中墩柱的惯性力系数达到2.175左右,防撞装置的惯性力系数达到2.125左右,接触力系数达到1.340左右。     

挡波墙对空气冲击波的削波作用研究

分析了空气中爆炸时挡波墙对冲击波的削波作用。结果表明，在爆源周围修一定高度和厚度的挡波墙可以把空气冲击波在挡波墙之后一定距离内的峰值压力削弱20%-30%，同时用数值模拟的方法计算了冲击波与挡波墙相互作用的过程，得到了在火电厂波原因有障碍物的爆炸场初始发展以及整个传播过程。数值模拟结果与实验测量和经验公式计算结果基本吻合。     

近海箱型梁桥受海啸波浪力作用试验研究

近海桥梁在极端气候下会受到海啸波或者风暴潮等灾害作用。采用水槽模型试验研究了海啸波在近海桥梁结构上的波浪力作用规律。试验原型为厦门演武大桥的A匝道桥,上部为流线型三室箱梁,下部为圆柱式桥墩。模型采用1∶25缩尺比进行海啸波冲击试验,研究不同海啸波条件下箱梁和桥墩结构所受波浪力特点。研究结果表明：在波浪刚冲击到主梁时,由于受到动水冲击力的作用,结构所受压强会瞬间达到最大峰值,随后,当波浪水流逐渐浸没桥体时,由于受到动水压力的作用,压强趋于稳定变化。不同波速或冲击淹没系数下结构所受的竖向力峰值都约为水平力峰值的两倍,然而,波速或冲击淹没系数的变化却对结构所受水平力的影响更为明显。当波高一样时,随着波速的增加,桥墩所受峰值压强显著增大,而当波速相同时,波高的变化对桥墩所受峰值压强的影响较小,说明桥墩所受波浪力对波速的变化更为敏感。     

屋盖开孔的近地空间建筑的平均风压特征

对开孔位置和开孔率不同的7个屋盖开孔近地空间建筑进行了缩尺刚性模型测压试验,分析了屋盖升力系数,屋盖中线测点和立墙测点的点体型系数,以及屋盖的块局部体型系数分布规律,并与当前规范取值进行比较,结果表明:屋盖中心开孔减小了屋盖向上的净平均风吸力,屋盖轴线测点最大正体型系数可达+0.32,中心开孔屋盖设计时应充分考虑正风压作用;屋盖角部开孔时的正风压较中心开孔工况大,对结构受力不利;中国规范对于屋盖中心开孔工况的角部块Ra的局部体型系数取值偏于不安全;屋盖角部开孔后局部块受风的压力作用显著,会导致屋盖的进一步破坏;屋盖中心开孔增大了迎风面立墙正风压86%以上,减小了侧墙和背风面立墙的吸力,使得在全封闭状态下承受风吸力的背风面墙转而承受风压作用。     

波浪冲击作用下核电站防浪堤动力响应的数值模拟

基于多物质ALE方法,利用带阻尼罚函数实现波浪与防浪堤结构间耦合作用,模拟波浪冲击作用下防浪堤结构及流体三维动态响应过程,所得结果与物理模型试验结果一致性较好。讨论挡浪墙表面波压力分布及挡浪墙所承受最大水平推力及结构动态响应对波浪冲击系数影响。结果表明,前挡浪墙静水面位置与后挡浪墙底部波压力较大;后墙承受波浪水平推力较大;结构动态响应会增强波浪的冲击作用。仿真结果可作为防浪堤强度设计重要依据及控制越浪量设计参考。     

规则波作用下导桩锚泊的浮防波堤水动力特性的数值模拟

浮防波堤主要有锚链锚泊和导桩锚泊两种锚泊方式,两种锚泊方式的浮体的运动响应不同,消波效果和水动力特性也不同。该文基于Navier-Stokes方程,采用紧致差分格式CIP (constrained interpolation profile)离散控制方程的对流项,以多相流和浸没边界IB (immersed boundary)的方法处理流体间和固体间的相互作用,以此建立二维数值模型研究规则波作用下导桩锚泊的浮防波堤的水动力特性。运用建立的数值模型研究了导桩锚泊的浮防波堤的垂向运动响应、波浪力和波浪力矩随相对宽度的变化趋势,通过与现有的物理模型试验结果比较,表明所建立的数值模型能够模拟规则波作用下导桩锚泊的浮防波堤的运动响应和受力特性。     

卷破波冲击新型桩板桥梁结构水动力特性试验研究

依托福建省滨海国道涉海浅滩段新型桩板桥梁结构工程,通过波浪水槽开展卷破波冲击桩板桥梁结构水动力特性试验,研究了三个阶段卷破波冲击作用下波浪爬高和桩板桥梁结构所受波浪力水动力特征,并与规则波冲击作用试验结果进行对比,分析了入射波高、波浪周期、水深对波浪爬高和波浪力的影响规律。结果表明：三个阶段卷破波冲击新型桩板桥梁结构的水动力特性显著不同,破碎前阶段和破碎中阶段卷破波会出现明显的波浪爬高现象,破碎前阶段卷破波爬高后的波面高程可达规则波的1.99倍;破碎前阶段的水平波浪力最强,是同阶段竖向波浪力幅值的4.48倍,可达规则波水平波浪力的3.08倍。波浪特征参数和水深对三个阶段卷破波冲击水动力特性影响显著,入射波高和水深的增加会使破碎中阶段卷破波的波面高程和竖向波浪力超过其他阶段;波浪周期的增加会使破碎后阶段卷破波冲击前波面高程和破碎前阶段的竖向波浪力超过破碎中阶段卷破波。     

防波堤帷幕尺度对波浪力和消浪性能的影响研究

帷幕式防波堤下部透水,利于港内外的海水交换,防止水质恶化,维持原始水域生态平衡,因此模拟波浪与防波堤的相互作用具有重要的现实意义。该文基于高阶紧致插值CIP(Constrained Interpolation Profile)方法的二维波浪数值模型水槽,通过与文献结果进行比较,结果表明：该文数值模型能够有效地模拟孤立波在冲击帷幕式防波堤过程中的波浪破碎等强非线性现象。通过数值模拟,描述了帷幕式防波堤在不同的宽度和浸没深度情况下与孤立波之间的相互作用中流速和涡度的演变过程,并讨论了孤立波波高和帷幕式防波堤结构尺寸对反射、透射、耗散系数以及在帷幕式防波堤上冲击力的影响。研究表明：帷幕式防波堤的相对浸没深度越大时,消浪效果良好,同时帷幕式防波堤的相对宽度对消浪效果的影响较大。     

Irregular wave transmission over a submerged breakwater

Irregular wave tests were conducted in a laboratory flume with an ‘Odessa-type’ bevelled-block submerged breakwater on a sloping bottom. The incident and transmitted waves were subjected to probabilistic and spectral analysis. Although the incident wave heights and periods are described respectively by the Gluhovski and the Rayleigh distributions, for the square of the wave periods, the transmitted heights and periods conform to the Rayleigh distribution irrespective of the depth of submergence of the breakwater. The significant wave heights (H _s) give transmission coefficients comparable to the corresponding monochromatic waves, but theH _max and give 50% higher and upto 28% lower values respectively, the difference increasing with the depth of submergence of the breakwater. The peak frequency of the spectrum does not vary on transmission. Resonant frequencies, where the wave energy is transmitted almost completely, are observed in the process. The resonance occurs at frequencies 1·4, 3·8, 5·6 and 7·0 rad/s, and they remain constant for different submergences of the breakwater. The presence of similar frequencies is also found in the case of monochromatic waves, although the tests are limited. Application of irregular wave tests is recommended in the design of submerged breakwaters. The laboratory studies were conducted under the guidance of Prof A V Mihailov and Dr I S Halfin of the Moscow Civil Engineering Institute,ussr, as a part of the author’s Ph. D. dissertation.     

Wave propagation passing over a submerged porous breakwater

A linear model of waves propagating over a submerged porous breakwater is derived from two coupled boundary-value problems, each of which represents the governing equation in a different medium. The model is similar to the shallow-water equations (SWE), with a damping term proportional to the character of the porous breakwater. Therefore, waves traveling above the breakwater will be absorbed, and the amplitude decreases. The wave propagation passing over the submerged breakwater for monochromatic and solitary waves is analyzed. For monochromatic waves, the numerical solution agrees with the analytical. The amplitude decreases exponentially with respect to the space variable in the region above the breakwater. The reflected wave is also analyzed when the model is combined with a model using the shallow-water equations.     

Numerical modelling of wave-induced currents in a breakwater situation

A numerical model system is developed to describe waves and wave-induced currents in a breakwater situation, where refraction, diffraction, reflection and wave–current interaction may all play important roles in the transformation of waves. A turbulence transport model is employed to estimate the eddy viscosity, and the friction factors associated with the major variables are clearly defined using a high level closure of combined flow bed friction. The model system is tested against a laboratory situation, and the effects of reflection are demonstrated on the wave-induced currents as well as on the wave distribution.     

钢筋混凝土隔离墙抗爆性能数值模拟研究

为了研究钢筋混凝土隔离墙在爆炸荷载作用下的动态响应和抗爆性能,采用LS-DYNA有限元软件建立9 m跨度隔离墙结构简化模型,模拟了不同药量和爆炸距离下隔离墙的动态响应。将模拟结果与经验超压公式计算结果和已有试验结果对比,验证了爆炸荷载和材料参数选取的合理性,分析了结构的破坏过程、冲击波作用规律、墙面荷载分布规律和结构变形情况。结果表明:建立的数值模拟可以较好地模拟爆炸冲击波与结构的相互作用;墙面冲击波压力衰减速率与药量和爆炸距离密切相关,墙面压力衰减幅度可达97.8%。在相同药量时,随着爆炸距离增加,墙体底部压力减小,顶部冲量增加;墙体结构由小变形转变为结构整体的较大变形;比例距离小于0.376■时,墙体底部容易发生剪切破坏。模拟结果可以为抗爆隔离墙的设计提供依据。     

Numerical use of exterior singularities for computation of gravity waves in shallow water

This study examines the interaction of obliquely incident waves with a breakwater consisting of an infinite array of uniform multi-chamber perforated caissons with partition walls. Based on the linear potential theory, an analytical solution of the problem is developed by means of the matched eigenfunction expansion method. The periodicities of the breakwater and the incident waves are both incorporated into the solution. Several limiting cases are also examined to validate the newly developed solution. Three parameters of engineering interests, the reflection coefficient, the dimensionless total wave force in the normal direction of the breakwater and the dimensionless total wave force acting on the partition walls, are calculated and carefully examined. This study may give a better understanding of the hydrodynamic performance of multi-chamber perforated caissons. Some useful results are also presented to practical engineering.     

抛石防波堤堤内波浪运动的数值模拟

将抛石防波堤认为离散介质结构,根据抛石防波堤内块体随机堆放的特点生成断面,对块体间的孔隙域划分网格。基于二维粘性不可压缩流体的N-S方程和流体自由表面处理的VOF方法,建立了波浪作用下堤身内部和前后流场的有限元数值模拟模型,对堤内的波浪运动进行了数值模拟。数值计算结果与波浪水槽模型实验结果基本吻合。对不同孔隙率和块体粒径的抛石堤计算结果表明,抛石堤内的波浪场受到很多参数的影响,孔隙率越大波长越长透射系数也越大,块体上的受力随着防波堤孔隙率以及块体平均半径的增加而减小。     

板-网结构浮式防波堤消浪性能的试验研究

水深较大时,固定式防波堤不再适用,而相比之下,浮式防波堤具有轻便、机动、经济及良好的海水交换功能等特点。因此为保障深水养殖网箱在风浪中的安全,采用浮式防波堤进行掩护是唯一可行的工程措施。提出了一种新型的浮式防波堤结构型式——板-网浮式防波堤。通过实验室物理模型试验,研究波浪周期、平板宽度、网衣数目、平板刚度以及水流方向和速度对波浪透射系数的影响。试验采用规则波浪,水深为20m,波高为2.5m、4.5m和6.0m,周期为6s～10s。试验结果表明,采用该种浮式防波堤具有较好的消浪效果,但具体参数需根据当地波浪、水流条件而定。