波浪－结构物－海床耦合系统动力学研究

论文摘要

研究结构物周围海床在波浪和结构物影响下的动力响应对于评估结构物基础的稳定性具有重要的理论和工程意义。结构物的存在不仅影响着附近波浪场的传播形态,还在底部形成不可渗透边界。而波浪在传播过程中还会与可渗透海床发生着水体交换。因此本论文建立了一个能应用于复杂波浪荷载形态和复杂结构物形式的波浪-结构物-海床耦合数值模型,以探讨波浪、海床和结构物之间复杂的相互作用机制。以动态Biot固结理论为基础,采用无网格伽辽金法离散二维空间域和Newmark法进行时间步进,建立了求解时域内海床土体动力过程的海床数值模型。为解决混合插值问题,提出了一个简单有效且适用于无网格伽辽金法的改进方法,算例表明该方法可显著消减孔压的数值振荡。通过计算值和理论值的比较,表明海床数值模型可以较高精度模拟行进波作用下海床的动力响应。在海床数值模型基础上,进一步研究了波浪荷载作用下海床动力响应的特征。主要内容包括海床土质参数中渗透系数、剪切模量、饱和度和海床厚度的敏感度分析;土骨架和孔隙流体惯性力对海床响应的影响;各向异性和非均匀性对海床响应的独立影响以及两者联合影响;立波荷载作用下海床响应分析。以雷诺时均方程为控制方程,结合造波和消波边界,以及VOF法自由水面追踪技术,建立了一个波浪数值模型。针对自由海床上传播的线性行进波、非线性行进波和波浪越过潜堤实验,在波面和动压强两方面,对波浪数值模型进行验证。结果表明波浪数值模型不仅可模拟出波浪传播的非线性过程,还能够捕捉到波浪的高阶色散性质。将海床数值模型和波浪数值模型进行耦合,并考虑结构物的影响,组合成波浪-结构物-海床数值模型。通过自由海床上三阶斯托克斯波和椭圆余弦波,以及存在多孔潜堤和复合式防波堤等模型实验,验证了数值模型的有效性。结果表明该数值模型不仅可合理地模拟出结构物周围变形复杂的波面形态,还可较好地给出海床内孔隙水压力的变化过程。论文还利用耦合模型分析了结构物周围水体和土体的动力过程。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 海床响应模型研究的国内外进展
• 1.3 波浪作用下海床动力响应研究的国内外进展
• 1.4 结构物周围海床动力响应研究的国内外进展
• 1.5 本文的研究内容
• 第2章 海床数值模型
• 2.1 概述
• 2.2 数学模型
• 2.2.1 问题描述
• 2.2.2 控制方程
• 2.2.3 边界条件
• 2.3 数值格式
• 2.3.1 移动最小二乘近似技术
• 2.3.2 系统方程的空间域离散
• 2.3.3 系统方程的时间域离散
• 2.3.4 时间步长的选取
• 2.4 数值格式稳定性改进
• 2.5 海床数值模型的验证与分析
• 2.5.1 时间变化规律
• 2.5.2 垂直方向分布规律
• 2.5.3 水平方向分布规律
• 2.5.4 等值线分布
• 2.6 本章小结
• 第3章 波浪作用下海床的动力响应
• 3.1 概述
• 3.2 海床土质参数的敏感度分析
• 3.2.1 渗透系数
• 3.2.2 剪切模量
• 3.2.3 饱和度
• 3.2.4 海床厚度
• 3.3 土骨架和孔隙流体惯性力的影响分析
• 3.4 各向异性和非均匀性的影响分析
• 3.4.1 各向异性
• 3.4.2 非均匀性
• 3.4.3 各向异性和非均匀性的耦合效果
• 3.4.4 各向异性和非均匀性对剪切破坏区域的影响
• 3.5 立波荷载作用
• 3.6 海床的不稳定分析
• 3.6.1 瞬时液化
• 3.6.2 剪切破坏
• 3.7 本章小结
• 第4章 波浪数值模型
• 4.1 概述
• 4.2 数学方程
• 4.2.1 控制方程
• 4.2.2 边界条件
• 4.3 数值格式
• 4.3.1 系统方程的时间域离散
• 4.3.2 系统方程的空间域离散
• 4.3.3 自由表面追踪技术
• 4.3.4 时间步长的选取
• 4.4 波浪数值模型的验证与分析
• 4.4.1 线性行进波
• 4.4.2 非线性行进波
• 4.4.3 潜堤上的波浪传播
• 4.5 本章小结
• 第5章 波浪作用下结构物周围海床的动力响应
• 5.1 概述
• 5.2 波浪－结构物－海床耦合模型的建立
• 5.3 波浪－海床耦合模型的验证与分析
• 5.3.1 三阶斯托克斯波
• 5.3.2 椭圆余弦波
• 5.4 波浪－结构物－海床耦合模型的验证与分析
• 5.4.1 多孔潜堤实验
• 5.4.2 复合式防波堤实验
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果