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波浪变态模型试验的比尺影响研究

黄小华  
【摘要】:近年来,随着港口工程建设规模的不断扩大(如大窑湾实际工程),使得波浪物理模型试验所涉及的工程水域也逐渐加大,受实验室场地的限制,采用正态模型进行试验,模型的水深和波高都可能太小,试验精度将难以保证,为此需要考虑进行几何变态模型试验。但在进行变态物理模型试验时,对于波浪折射、绕射和反射的影响都较显著的情形,由于波浪运动相似关系难以同时得到满足,模型中观测到的现象和测定的数据换算到原型中时所产生的实际偏差可能较大,导致了变态模型试验结果目前还不能被工程界广泛的接受。随着电子计算机技术的迅速发展,计算方法的不断进步,数学模型越来越成为一种解决水利工程问题的主要手段,它具有计算方案多、周期短、费用少的巨大优势。利用数学模型研究模型试验的变率问题,并用于指导物理模型试验,具有重要的意义和应用前景。 本文首先基于DHI的MIKE21软件系统中的Boussinesq模块,应用传统的波浪运动相似关系,建立了简单地形下以波浪折射和绕射为主的多个不同变率的变态模型,并对不同变率模型的港内波高分布进行了模拟。入射波浪为随机波,变态率取为1~3。通过不同变态模型计算结果和正态模型计算结果以及原型数值计算结果的比较,就变率对试验结果的影响进行了探讨,并给出了不同情况下变率允许值的适用范围。 在此基础上对大窑湾港区水域进行了以折射相似为主和以绕射相似为主的数值计算。为了解决正态模型计算结果与原型数值计算结果吻合很好,但变态模型结果偏差较大的问题。本文尝试采用将正态模型时间比尺应用到变态模型中并反推出变态模型波长比尺的方法,得到了一种不同的波浪运动相似关系即λ_L=λ_l·λ_(thkh)。通过不同波长比尺条件下变态模型的计算结果表明,该相似关系条件下的变态模型计算结果与原型数值计算结果的误差要明显小于波浪折射和绕射相似的情况,并且针对不同波浪入射方向以及不同变率情况对该相似关系进行了验证。另外,在该相似关系的基础上对波浪要素的影响进行了研究,研究结果表明,波高对变态模型计算结果的误差影响不大,但周期的影响较明显。 本文进一步以波浪折射、绕射和反射现象同样显著的京唐港为例在不同波长比尺条件下进行了波浪变态模型的数值计算。通过对不同变态模型计算结果的误差分析,验证了该相似关系(λ_L=λ_l·λ_(thkh))在不同地形条件下的变态模型计算结果与原型数值计算结果的误差同样小于传统的波浪折射和绕射相似的情况。


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