波浪作用下半圆型防波堤及其地基动力响应的数值模拟

防波堤和地基在波浪作用下的动力响应分析需要考虑波浪-海床地基-防波堤的相互作用。该文在通用数值分析软件ABAQUS的动力显式分析框架中,利用其自带的光滑粒子流体动力学(SPH)方法模拟波浪与海床地基和结构的相互作用,通过二次开发,引入了求解饱和土动力固结方程的位移-孔压耦合单元,模拟海床地基中超静孔隙水压力生成、扩散和消散过程,使得ABAQUS可以进行波浪-地基-结构的动力相互作用求解。并以长江口深水航道治理二期工程为例,建立了半圆型防波堤及其地基在波浪作用下动力响应的数值分析模型。首先,通过对室内模型试验的模拟对比,验证了数值模型的可靠性;然后,通过不同工况下的数值模拟计算,分析半圆型防波堤及地基动力响应的特点和规律。数值分析表明：防波堤受到的最大水平力和垂直力不会同时出现,存在一定的相位差;防波堤受到的波压力随水深的升高而减小,随波高的增大而增大;地基土体的超静孔压随着波高的增大而增大,随水深的升高而减小;防波堤的沉降随波高的增加而增大,随水深的升高而减小。     

大直径薄壁圆筒直立堤变形机理分析

本文在对大直径薄壁圆筒直立堤变形特征详细调查的基础上,结合钻探、测量、水下检查及不利因素分析,对薄壁圆筒直立堤中部及拐角部位的变形特征和变形机制进行了研究,并结合变形机制确立了补救措施。研究表明:大直径薄壁圆筒的倾斜与筒内填料高度变化之间有着相互因果关系;中部圆筒变形是筒内填料原始缺失,抗倾能力低所致,回填筒内填料即可保障运行;拐角位置圆筒直立堤变形是因为该位置波浪作用大,抗冲刷能力低,导致堤前护坦石缺失、基床受损,圆筒产生变形后,顶部与圆筒结构相独立的胸墙在圆筒变形及重力的双重作用下产生了协调变形,修复堤前护坦石并柔性处理胸墙间接缝即可保障运行;该圆筒直立堤的变形均非破坏性的变形,在采取一定的补救措施后,即可抑制变形发展,保证圆筒直立堤正常运行。     

水平斜插板透空式防波堤消波性能数值模拟

通过改进已有的防波堤模型，建立了一种新型水平斜板透空式防波堤模型。基于VOF方法建立了波浪与水平斜板防波堤相互作用的数值模型。经数值模拟研究了该新型水平斜板防波堤结构对波浪透射系数的影响，主要考虑了斜板角度、波陡、相对板间距、相对板宽和相对出水高度等因素对防波堤消波效果的影响。模拟结果显示:①水平斜插板透空式防波堤比水平板透空式防波堤的消波效果好。在斜插板作用下，随着斜板角度增大，透射系数逐渐增大，但增幅逐渐减小；②随着波陡增大，透射系数先减后增；③随着水平板间距增加，透射系数增大；④随着防波堤相对板宽的增大，透射系数逐渐减小；⑤随着防波堤出水高度增加，透射系数先减后增。结果表明，该新型结构防波堤的消波效果显著，可以很好地消减波浪，应用前景良好。     

淤泥质底床上沉入式大圆筒施工期在波浪作用下稳定性的实验研究

本文对淤泥海床上的沉入式大圆筒结构施工期(即大圆筒已沉放到位，但筒内尚未填筑填料)在波浪作用下的稳定性进行了实验研究。研究中采用了系列模型延伸法，进行了3组不同尺度的大圆筒模型和3种不同重度的淤泥底质的系列试验。研究中将大圆筒顶部的水平位移达到4‰床面以上圆筒高度，确定为临界稳定状态，对应的波浪条件为临界稳定条件。通过实验时开敞水域中的单个大圆筒以及靠海岸的双筒并列等情况分别提出了稳定状态判断指标。     

立波作用下海床的有效应力与液化分析

波浪作用下海床的稳定性与液化分析是海底管线、防波堤和海洋平台设计中必须仔细考虑的问题。本文推荐了一个循环荷载作用下土体的弹塑性实用本构模型，并给出了一种粉土的模型参数。该模型直接根据初始应力状态和循环应力的大小与作用时间计算土体的塑性应变增量，在有限元计算中不需要引入弹塑性矩阵。采用Biot理论和有限单元法，对海床有效应力的变化过程分析表明，波腹点下海床存在较大的液化可能性。波浪作用对海床存在一定的压密作用。     

椭圆余弦波对V形防波堤绕射波浪力的解析计算

应用椭圆余弦波理论,给出了V形薄壁防波堤的浅水波绕射理论解,对现有Airy微幅波理论进行了有效拓展。通过对V形防波堤的浅水波浪力进行试算,揭示了椭圆余弦波对防波堤的作用规律。计算结果表明:椭圆余弦波理论计算的V形防波堤的最大无量纲波浪力明显大于相同浅水条件下Airy微幅波理论的对应结果,该方法有效拓展了无限长直立薄壁堤的反射波理论。此外,浅水波入射角、V形堤张角和防波堤臂长与水深比等参数的变化均将对V形堤的波浪作用产生相关影响,而V形堤的实际绕射波浪力幅值将随浅水波特征参数值的增大而增大。     

V形贯底式防波堤上波浪作用力的解析研究

用解析方法计算V形贯底式防波堤在波浪绕射作用下周围流域任意点的速度势,研究波浪作用在V形贯底式防波堤上的波浪力。假定防波堤刚性、薄壁、不透浪、水深恒定。假想的圆柱面将整个流场划分为三个区域,分别在每个区域内将速度势用特征函数展开,然后在公共边界上按照速度连续,速度势连续的原则进行匹配,求得流域中任意一点的速度势和作用在V形贯底式防波堤上的总波力和总波力矩。数值结果给出了作用在防波堤上的波浪力随防波堤张角、入射波波长、入射角变化的曲线。结果表明:作用在V形贯底式防波堤上的波浪力与水深、防波堤的张角、入射波的波长等因素有关。     

渡槽薄壁结构弹塑性动力分析模型及试验验证

本文提出了渡槽薄壁结构弹塑性动力分析模型，该模型集渡槽薄壁结构线弹性模型和非线性多弹簧模型为一体，并充分考虑了薄壁结构截面两向弯矩和轴向变形对单元的动力特性影响，应用多弹簧等效关系模拟结构塑性铰区的非线性滞回特性。通过预应力钢筋混凝土渡槽槽身以及高强混凝土渡槽支架模型的低周反复荷载拟静力试验，研究了渡槽槽身以及支架的非线性荷载-位移滞回特性。应用本文提出的弹塑性动力分析模型对拟静力试验过程中的荷载-位移滞回曲线进行了数值模拟计算。计算结果表明，模拟数值解与模型试验所得滞回曲线符合良好，从而验证了本文渡槽薄壁结构弹塑性动力分析模型的正确性。     

随机风 浪荷载作用下近海风机塔架动力响应分析

近海风机在随机波浪荷载作用下的动力反应是近海风机结构设计中的关键问题之一。用谐波叠加法研究了随机风、浪荷载时程的模拟方法,并探讨了考虑波浪波面高程变化时的波浪力计算方法。分两种荷载工况,采用动力有限元法计算了海上风机在随机波浪荷载作用下的动力反应,探讨了波面高程变化对于海上风机动力响应计算的影响。计算结果表明,当不计波面高程变化时,波浪力在波峰位置被低估,在波谷位置被高估,波面高程变化对风机塔架动力响应计算结果将产生影响,在实际工程中应予以适当考虑。     

基于三维有限元流固耦合算法研究浮标在波浪作用下的动力响应

浮标在波浪作用下产生动荷载,具有明显的动力学特征.浮标与波浪相互作用包括浮鼓与海浪的耦合、浮鼓与锚链的耦合,是复杂的多学科的流固耦合问题.基于三维有限元流固耦合算法,建立“浮标-海水-空气-海底”系统模型,仿真了浮标和单列Airy波相互作用,研究了浮标在特定海况下的动力响应,定量的给出了浮标的运动规律、自摆周期、锚链拉力、浮筒摆角及设备安装点加速度等重要结论,为浮标设计、制造、运行、维护提供重要参考和依据,也为海上风力发电、海上作业平台和跨海大桥桥墩等波浪作用的动力分析提供了重要参考和借鉴.     

波浪对圆柱外接圆弧型防波堤绕射的解析计算

在微幅波绕射理论的基础上,使用特征函数展开法,推导了圆柱外接圆弧型防波堤复合结构的水波绕射的解析解,并据此计算了该结构所受到的波浪载荷以及绕射波面分布。计算结果表明:与单一圆柱相比,外接圆弧型防波堤的存在可明显降低作用于圆柱的波浪载荷和圆柱表面的波浪爬高;采用外接堤表面密实或透空而内圆柱表面透空的结构形式可以取得圆柱防浪的较佳效果;结构透空系数、波浪入射角度、外接堤张角、外堤半径与水深比、水深与波长比等因素的变化对绕射波浪作用均存在一定影响。     

Time-domain hydrodynamic analysis of pontoon-plate floating breakwater

The hydrodynamic behaviors of a floating breakwater consisting of a rectangular pontoon and horizontal plates are studied theoretically. The fluid motion is idealized as two-dimensional linear potential flow. The motions of the floating breakwater are assumed to be two-dimensional in sway, heave, and roll. The solution to the fluid motion is derived by transforming the governing differential equation into the integral equation on the boundary in time domain with the Green’s function method. The motion equations of the floating breakwater are established and solved with the fourth-order Runge-Kutta method to obtain the displacement and velocity of the breakwater. The mooring forces are computed with the static method. The computational results of the wave transmission coefficient, the motion responses, and the mooring forces of the pontoon-plate floating breakwater are given. It is indicated that the relative width of the pontoon is an important factor influencing the wave transmission coefficient of the floating breakwater. The transmission coefficient decreases obviously as the relative width of the pontoon increases. The horizontal plates help to reduce the wave transmission over the floating breakwater. The motion responses and the mooring forces of the pontoon-plate floating breakwater are less than those of the pontoon floating breakwater. The mooring force at the offshore side is larger than that at the onshore side.     

大直径圆筒筒内填料抗倾机理

根据试验结果及分析，圆筒内填料抗倾模式随筒径的增大而变化。筒径由小到大，筒内填料抗倾模式由重力式逐渐向过渡式、平面挡土墙式变化。大圆筒的抗倾能力，除应考虑筒内壁与填料间的摩擦力，还应计及作用在筒壁上填料侧压力所起的抗倾作用。     

不规则波作用下墩柱周围局部冲刷研究

对相对柱径较大（0．15〈D／L〈0．5）的圆柱式结构物在不规则波作用下周围的局部冲刷情况，进行了多组试验研究，系统地研究了不规则波作用下圆柱周围地形的变化规律，试验中分别考虑了波浪的波高、周期、水深、泥沙粒径及圆柱直径等因素对圆柱周围局部冲刷地形的影响，分析了圆柱周围冲淤地形形成的机理，特别是对床面泥沙粒径因素进行了详细分析，认为波浪作用下圆柱周围冲刷深度与床面粒径并不成反比关系，而是在d50=0．18mm附近最小，在此基础上提出了不规则波作用下圆柱周围最大冲刷深度及其发生位置的计算公式。     

SOME OBSERVATIONS OF TWO INTERFERING VIV CIRCULAR CYLINDERS OF UNEQUAL DIAMETERS IN TANDEM

Analysis of model test results was carried out to investigate the hydrodynamic interaction between a pair of elastically-supported rigid cylinders of dissimilar diameters in a water flume.The two cylinders are placed in tandem with one situated in the wake of the other.The diameter of the upstream cylinder is twice as large as that of the downstream cylinder.The spacing between the two cylinders ranges from 1 to 10 times the larger cylinder diameter.The Reynolds numbers are within the sub-critical range.The cylinders are free to oscillate in both the in-line and the cross-flow directions.The reduced velocity ranges from 1 to 10 and the low damping ratio of the model test set-up at 0.006 gives a combined mass-damping parameter of 0.02.It is found that the lift on and the cross-flow motion of the downstream cylinder have the frequency components derived from the upstream cylinder’s vortex shedding as well as from its own vortex shedding,and the relative importance of the two sources of excitation is influenced by the spacing between the two cylinders.The downstream cylinder’s VIV response appears to be largely dependent upon the actual reduced velocity of the cylinder.     

LOCAL SCOUR AROUND A LARGE-SCALE VERTICAL CIRCULAR CYLINDER DUE TO COMBINED WAVE-CURRENT ACTION

The local scour around a large scale vertical circular cylinder due to combined wave-current action was experimentally and numerically studied in the present paper. Experiments were carried out to research the affect of the wave height, current velocity and the diameter of the cylinder on the scour process. The topography near the cylinder in various cases during scour was measured. The cylinder diameter affects the distribution of scour and deposition area. The maximum scour depth increases evidently when the current velocity increases, The maximum scour depth does not increase after the wave height retains a certain value. A numerical model using a finite element method for simulating the scour process was established. And the numerical results agree well with the measured data. The numerical model is more applicable in the case of large-scale cylinders.     

新型透空组合板式防波堤结构型式及消浪特性分析

为提高透空式防波堤的消浪性能并减小结构受力,在前人研究基础上提出了一种新型透空组合板式防波堤,比较分析了该型式的防波堤(模型c)与另外两种型式的防波堤(模型a和模型b)的结构特点。通过物理模型试验,探讨了模型c在不同影响因素下的消浪特性,并对比分析了模型a与模型c的透射系数、反射系数和能量耗散系数在不同相对堤宽下的变化关系,比较了两种模型的消浪效果。分析得出,由于模型c兼具开孔水平板式防波堤和开孔挡板式防波堤的作用,模型c的波浪反射小于模型a,消浪效果优于模型a,且模型c这种结构能有效减小防波堤结构受力;当模型宽度和相对间隙比同时较大时消浪效果更好,防波堤出水后的消浪性能要优于淹没状态下的防波堤。     

Studies on the oscillation behavior of a flexible plate in the wake of a D-cylinder

This paper studies the oscillation behavior of a flexible plate in the wake of a D-section cylinder. The interaction between the flexible body and its surrounding vortices is investigated. A modified immersed boundary method is used to solve the motion of fluid, integrated with a linearized Euler-Bernoulli beam model to govern the motion of the flexible plate. Results show that, when the distance between cylinder and plate is small, the surface of the plate is surrounded by vortices layers and the plate oscillates periodically, with amplitude similar to the cylinder movement. However, if the distance becomes large, we find that the vortices are shed from the D-cylinder in front of the plate, and the incoming vortices make the plate oscillate with large amplitude at the beginning and then slant laterally. Also, the amplitude becomes smaller compared to the case of the small distance.

     

计算域中存在直立岛式结构物时波浪传播的数值模拟

针对计算域中存在直立岛式结构物的复连通区域,提出了岛体边界条件,利用缓坡方程建立了在计算域中存在直立岛式结构物时波浪传播的数值模拟模型。模型适用于变水深水域问题,克服了解析解只能适用于等水深水域的不足。直立圆柱和无穷小厚度岛式防波堤周围波浪传播的数值算例表明,数值解与解析解吻合良好,说明所建立的数值模拟模型能有效地模拟复连通区域内的波浪传播。矩形固定式防波堤周围波浪场的数值模拟说明该模型对工程实际有较强的适应性。