二维与三维随机波浪对半圆型防波堤作用的研究

论文摘要

斜向与多向不规则波浪对半圆型防波堤作用的研究此前尚未见文献报道。 综合考虑波陡H／L（π1）、相对波高H／d（π2）、堤顶相对水深d1／d（π3′）、波浪入射角或波浪主方向θ0（π4）和波浪方向分布参数s（π5）等5个主要影响半圆型防波堤波浪荷载的因子，基于二维水槽和三维水池物理模型试验，对二维（规则波与不规则波）和三维（斜向规则波、斜向不规则波和多向不规则波）波浪条件下半圆型防波堤的受力特性及其机理作了较系统的试验研究和数值计算。给出了不同波浪条件下半圆型防波堤的波浪压力分布特征及单位堤长、单元堤长波浪力的计算方法。 半圆型防波堤波浪压力分布的基本特征受π3′影响比较大。除π3′外，π1和π2对压力分布的影响也不能忽略。规则波、不规则波和多向波作用下半圆型防波堤的波浪压力分布的基本特征无定性的差别。 在π2和π3′一定的条件下，正向水平波浪力、垂向波浪力和底板浮托力随着π1的减小而增大；负向水平波浪力则随单因子π1变化的趋势较缓；在π1和π3′一定的条件下，正向水平波浪力、垂向波浪力和底板浮托力随π2的增大而增大；在π1和π2一定的条件下，无因次总水平力（正向与负向）随着π3′的增大而减小。实验范围内，给出了单位堤长上半圆型防波堤的负向水平力大于正向水平力的以π1、π2和π3′分界的临界指标。 斜向和多向波作用下单位堤长上波浪总力随主要影响因子π1、π2的变化规律与正向波浪作用时无定性的差别。但斜向波浪入射角度和多向波主波向的变化将会引起堤前波浪形态的变化（产生短峰波），进而导致波浪力的变化。实验范围内，斜向波浪入射角度在15°～45°范围内变化时，不排除单位堤长正向水平波浪力大于正向波浪作用时正向水平力的可能性；单位堤长上负向水平力总体上不大于正向波浪作用时的负向水平力。当主波向方向θ0=0°和θ0=30°时，在s=2～70范围内，多向不规则波作用时单位堤长上波浪力基本不受方向分布宽度参数的影响。π3′一定的条件下，单位堤长波浪力的折减系数Kθ0与π1和π2有关。试验给出了单位堤长波浪力的折减系数Kθ0。 波浪力的纵向分布受控于π4和π5。纵向分布的特征变化基本不受π1和π2的影响。波浪力的纵向分布是相对堤长Lc*sinθ0／Lp的函数。波浪能量的方向分布越宽，波浪力沿纵向的分布越不均匀。斜向波力纵向分布的不均匀性大于多向波的纵向分布的不均匀性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 防波堤发展与研究概况简单回顾
• 1.2 本课题背景及研究意义
• 1.3 国内外关于半圆型防波堤的研究成果概述
• 1.3.1 国外部分
• 1.3.2 国内部分
• 1.4 本文的主要工作
• 2 物理模型试验条件、试验波要素确定及试验方法
• 2.1 半圆型防波堤受力的无因次化分析
• 2.2 二维物理模型试验的试验条件、试验波要素确定及试验方法
• 2.2.1 试验条件
• 2.2.2 试验波要素确定
• 2.2.3 试验方法
• 2.3 三维物理模型试验的试验条件、试验波要素的确定及试验方法
• 2.3.1 试验条件
• 2.3.2 试验波要素的确定
• 2.3.3 试验方法
• 2.4 多向不规则波浪的方向谱分析方法的选择及其可靠性验证
• 3 二维随机波浪对半圆型防波堤的作用—单位堤长上的波浪力
• 3.1 波浪力的计算和分析方法
• 3.2 波陡对堤体波压包络、同步波压分布和单位堤长波浪力的影响
• 3.2.1 波陡对堤体波压包络的影响
• 3.2.2 波陡对堤体同步波压分布的影响
• 3.2.3 波陡对单位堤长波浪力的影响
• 3.3 相对波高对堤体波压包络、同步波压分布和单位堤长总力的影响
• 3.3.1 相对波高对堤体波压包络的影响
• 3.3.2 相对波高对堤体同步波压分布的影响—水平波浪力最大时刻
• 3.3.3 相对波高对堤体同步波压分布的影响—垂向波浪力和底板浮托力最大时刻
• 3.3.4 相对波高对单位堤长波浪力的影响
• 3.4 堤顶相对水深对堤体波压包络、同步波压分布和单位堤长波浪力的影响
• 3.4.1 堤顶相对水深对堤体波压包络的影响
• 3.4.2 堤顶相对水深对堤体同步波压分布的影响
• 3.4.3 堤顶相对水深对单位堤长波浪力的影响
• 3.5 波浪不规则性对波浪力的影响
• 3.6 试验结果与现有公式的比较
• 3.7 半圆型防波堤波浪力计算方法
• 3.8 小结
• 4 斜向与多向波对半圆堤的作用—单位堤长上的波浪力
• 4.1 三维水池正向入射波浪与二维水槽波浪实验数据的比较
• 4.2 斜向规则波作用下单位堤长半圆堤上的波浪力
• 4.2.1 波陡对波浪力的影响
• 4.2.2 相对波高对波浪力的影响
• 4.2.3 波向角对波浪力的影响
• 4.3 斜向不规则波作用下单位堤长半圆堤上的波浪力
• 4.3.1 波陡对波浪力的影响
• 4.3.2 相对波高对波浪力的影响
• 4.3.3 波向角对波浪力的影响
• 4.4 多向不规则波作用下单位堤长半圆堤上的波浪力
• 4.4.1 波陡对波浪力的影响
• 4.4.2 相对波高对波浪力的影响
• 4.4.3 波浪方向分布宽度系数对波浪力的影响
• 4.5 试验结果与现有公式的比较
• 4.6 小结
• 5 斜向与多向不规则波作用下半圆堤所受波浪力的纵向分布
• 5.1 测力段波浪均匀性验证
• 5.2 波浪力的纵向分布
• 5.2.1 波浪力纵向分布的分析方法
• 5.2.2 波陡对纵向分布的影响
• 5.2.3 相对波高对纵向分布的影响
• 5.2.4 波向角对纵向分布的影响
• 5.2.5 波浪方向分布宽度系数对纵向分布的影响
• 5.2.6 波浪力纵向分布系数的经验公式
• 5.3 小结
• 6 斜向与多向不规则波作用下半圆堤所受波浪力的纵向折减
• 6.1 单元堤波浪总力纵向折减系数的定义
• 6.2 单元堤波浪总力纵向折减系数结果分析
• 6.2.1 波陡的影响
• 6.2.2 相对波高的影响
• 6.2.3 波向角的影响
• 6.2.4 波浪方向分布宽度系数的影响
• 6.2.5 波浪力纵向折减系数的经验公式
• 6.3 小结
• 7 波浪对半圆型防波堤作用的数值模拟
• 7.1 数学模型的建立
• 7.1.1 控制方程与边界条件
• 7.1.2 造波及吸收边界
• 7.1.3 边界积分方程
• 7.1.4 方程离散
• 7.1.5 控制方程的求解步骤
• 7.2 基于线性理论的半圆堤波浪力数值计算
• 7.2.1 线性控制方程和边界条件
• 7.2.2 二维数值波浪水槽的验证
• 7.2.3 基于线性理论的半圆堤数值计算结果和试验结果的比较
• 7.3 基于非线性理论的半圆堤波浪力数值计算
• 7.3.1 非线性数值水槽的验证
• 7.3.2 流场与波压的同步分布
• 7.3.3 波浪总力试验结果与计算结果的比较
• 7.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
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