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多向聚焦波浪与直立圆柱作用的试验研究

王占行  
【摘要】:波浪作用是海洋工程结构物的主要荷载之一,也是海洋工程结构物设计时必须要考虑的问题。极限波浪作为波浪的一种极限情况,会产生极强的波浪力,是造成海洋结构物破坏的主要因素之一,往往成为海上建筑物结构设计的控制情况。研究极限波浪对海洋结构物的作用,对结构物的设计及安全评估具有重要的意义。 本文利用波能聚焦的方法在水池中产生多向聚集波浪以模拟极限波浪,并作用于固定的直立圆柱,研究不同波浪参数情况下(聚焦波幅、谱峰频率、频率宽度及方向分布集中度参数)圆柱周围波浪涌高、圆柱所受波浪总力以及圆柱周围压力分布情况。 通过对所产生的多向聚焦波浪波面特性的分析,结果表明波浪参数对聚焦波浪的波面特性有明显的影响。谱峰频率与频率宽度越大,沿水池中心线方向波面分布越窄,波陡越大,垂直于水池中心线方向波面分布也越窄;方向分布集中度参数越大,波浪越趋向于单向波浪,沿水池中心线方向波面分布越窄,波陡越大,垂直于波浪方向波面越宽。 通过分析多向聚焦波浪作用于直立圆柱所引起的圆柱迎浪面以及圆柱周围波浪涌高。给出了聚焦波浪参数(谱峰频率、频率宽度、方向分布集中度参数以及聚焦波幅)与波浪涌高的关系。圆柱迎浪面波浪涌高率随着这些参数的增大而增大,实测的最大涌高率可以达到1.68。实验同时研究了圆柱周围波浪涌高分布,圆柱迎浪面的涌高率要较其它位置的涌高大,涌高最小值位于测点与圆柱迎浪面呈135°位置。 通过对圆柱所受波浪总力分析,结果表明,无因次的波浪总力最大值随聚焦波浪陡度的增大而减小;当圆柱相对尺度较小时,无因次的波浪总力最大值随方向分布集中度参数的增大而增大;当圆柱相对尺度较大时,圆柱的受力反而随方向分布集中度参数的增大而减小。实验也观测到聚焦极限波浪引起的圆柱"Ringing"现象,K1A0.36时,聚焦波浪作用于直立圆柱将会引起"Ringing"现象,而K1A0.36时,将不会出现"Ringing"现象。 通过圆柱所受压力分布结果分析,表明圆柱迎浪面的静水面位置,无因次的点压力随圆柱相对尺度和波陡的变化趋势不明显,而随方向分布集中度参数的增大而增大;静水面以下各点无因次的点压力随圆柱相对尺度、波陡以及方向分布集中度参数的增大而减小。静水面处圆柱周围无因次的点压力最大值出现在45°处,最小值出现在135°位置;静水面下各点,圆柱周围无因次的点压力最大值出现在迎浪面位置,最小值出现在90°位置。


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