多向不规则波浪作用下群墩结构上爬高的计算研究

摘 要 :波 浪 的 方 向 分 布 对 波 浪 的 传 播 及 其 与 工 程 结 构 物 的 作 用 都 具 有 明 显 影 响 ,目 前 现 有 的 研 究 大
多 是 基 于 单 向 波 浪 进 行 的 。 为 了 研 究 方 向 分 布 对 群 墩 结 构 上 的 爬 高 影 响 ,基 于 规 则 波 浪 与 群 墩 作 用
第41卷 第3期
海洋学报
Vol.41,No.3
2019 年 3 月
HaiyangXuebao
March2019
季新然,邹丽,任智源,等.多向 不 规 则 波 浪 作 用 下 群 墩 结 构 上 爬 高 的 计 算 研 究[J].海 洋 学 报,2019,41(3):35-43,doi:10. 3969/ji.ssn.0253-4193.2019.03.004 JiXinran,ZouLi,RenZhiyuan,etal.Numericalresearchonmultidirectionalrandom waverun-uponanarrayofcylinders[J].HaiyangXuebao,2019,41(3):35-43,doi:10.3969/ji.ssn.0253-4193.2019.03.004
的 理 论 解 ,结 合 多 向 不 规 则 波 浪 的 造 波 方 法 ,建 立 了 多 向 不 规 则 波 浪 与 群 墩 作 用 的 计 算 模 型 ,同 时 进
行了物理模型试验对模型的有效性进行了验证。系统地对群墩周围及表面上的波浪爬高进行了计算
分析,结果表明,方向分布对波浪爬高具有较大的影响,且不同位置处的影响并不相同,在实际的工程
究了规则波和不规则波浪对四圆柱方阵群墩作用时 的绕射现象,通 过 数 值 结 果 与 实 验 结 果 的 对 比 ,发 现 采用线性绕射理论可以获得与实际情况比较符合的 计算结果。王俊杰和王连堂 应 [4] 用 Nyström 方 法 求 解 Helmholtz方程得 到 了 计 算 大 尺 度 墩 柱 上 波 浪 力 的数值模型。
波浪与群墩结构作用时,不仅要考虑墩柱自身绕 射的影响,还要考虑群墩结构中其他墩柱绕射波浪的 影响。Linton 和 Evans[1]在 MacCamy 和 Fuchs[2]对 单个圆柱求解的基础上对流场内的速度势进行了简 化,得到求解规则波与群墩作用时墩柱所受波浪力的 简化公式。Ohl等[3]通 过 理 论 计 算 和 实 验 等 方 法 研
收稿日期:2018-07-03;修订日期:2018-09-02。 基金项目:国家自然科学基金青年基金(51709069);海南省自然科学基金面上项目(517058);海南省科协青年科技英才创新计划(QXXM201709)。 作者简介:季新然(1986—),男,河南省新乡市人,讲师,主要从事波浪与建筑物作用的研究。E-mail:jixinran2005@gmail.com *通信作者:邹丽(1981—),女,教授,主要从事非线性波浪研究。E-mail:lizou@dlut.edu.cn
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与大尺度墩柱作用的方法,计算结果与实验结果吻合 较好。通过系统的计算分析发现波浪的方向分布对 墩柱上的爬 高 均 有 明 显 的 影 响。Ji等 在 [7] 水 池 中 开 展了多向不规则波浪与大尺度墩柱作用的实验研究, 结果表明墩柱所受的横向力随着波浪分布宽度的变 大而增大,在实际的工程设计中如果忽略了波浪的方 向 性 ,可 能 会 低 估 实 际 的 波 浪 荷 载 。 Mizutani等[8]采 用多向波浪分别对2个和3个圆柱的总力和波面爬 高进行了试验研究,结果表明多向不规则波浪作用时 的力可能比单向波的要大。
本 文 基 于 Linton和 Evans[1]关 于 规 则 波 与 群 墩 作 用 的 理 论,得 到 波 浪 与 群 墩 结 构 作 用 时 的 传 递 函 数,同时考虑入 射 波 浪 为 多 向 波,建 立 了 多 向 不 规 则 波浪与群墩结构相互作用的计算模型,同时在实验室 水池中对多向不规则波浪与群墩的相互作用进行了 实验模拟,验 证 了 该 模 型 的 有 效 性。 进 一 步,系 统 地 对多向不规则波浪在群墩周围及表面上的爬高进行 计算分析,研究了方向分布对波浪爬高的影响规律。
2 多向不规则波浪与群墩结构作用的 计算方法
2.1 规则波浪与群墩结构的作用
多向不规则波浪作用下群墩结构上 爬高的计算研究
季新然1,2,邹丽3* ,任智源4,柳淑学2
(1.海南大学 土木与建筑工程学院,海南 海口 570228;2.大 连 理 工 大 学 海 岸 和 近 海 工 程 国 家 重 点 实 验 室,辽 宁 大 连 116024;3.大连理工大学 船舶工程学院,辽宁 大连 116024;4.国家海洋环境预报中心,北京 100081)
设计中如果按照单向波浪计算,可能低估或者高估群墩周围的爬高。
关键词:多向不规则波浪;方向分布;爬高;群墩
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中 图 分 类 号 :O353.2
文 献 标 志 码 :A
文 章 编 号 :0253-4193(2019)03-0035-09
1 引言
大尺度墩柱及群墩是海洋工程中常用的结构形 式,其尺度较大,一般认为其构件直径 D 与波长λ 的 比值 D/λ≥0.20。波浪是海洋工程结构 物 上 的 主 要 荷载,合理的确定波浪荷载是海洋工程结构物能否正 常工作的主要因素,因此精确计算作用在群墩上的波 浪荷载对于工程设计具有重要的意义。
上述的研究都是基于入射波是规则波浪或者单 向不规则波浪,而实际海洋中的波浪是多向不规则波 浪,波浪的方向分布对波浪的传播及其与工程结构物 的作用都具有明显影响。由于多向波浪传播的复杂 性及多向不规 则 波 浪 实 验、数 值 模 拟 手 段 的 限 制[5], 目前关于多向不规则波浪与墩柱或群墩结构作用的 研究并不多见。季新然 等[6]采 用 多 向 不 规 则 波 浪 的 造波方法,利用传递函数建立了计算多向不规则波浪