英语原文共 15 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
《Journal of Hydraulic Research》43卷,2号(2005), 174 - 174页
规则和不规则波作用下的浮式防波堤：反射和透射特性
作者 E. Koutandos; P. Prinos; X. Gironella
摘要
目前在大规模实验设施上研究常规波和不规则波在浅水和中间水域的水动力与浮式防波堤的相互作用。实验在巴塞罗那，加泰罗尼亚理工大学的CIEM水槽中进行。入射波的影响特点和特定的几何特征,如宽度和结构的吃水,检查其效率。四个不同的浮式防波堤配置检查: (a)单一固定浮式防波堤,(b)升沉运动浮式防波堤 , (c)带有连接平板(不透水和渗透) 的单一固定浮式防波堤和(d)双固定浮式防波堤 。结果与当前传播、反射和能量耗散的事件波(常规和非常规)的结构相关。单一固定的浮式防波堤 ,结构效率与宽度/波长和吃水/水深比成比例。单一固定的浮式防波堤高反射性的方式运行。另一方面，升沉运动浮式防波堤以极低的反射形式耗散。带有连接平板的浮式防波堤显著地增强了结构的效率。在不透水和透水板情况下没有观察到显著差异。一般来说,最有效的配置是固定的浮式防波堤的两倍。然而,关于成本效益,浮式防波堤的配置与连接板应被视为最有效的设计目的。
关键字：浮式防波堤、传输、反射、能量耗散。
1.绪论
在过去的十年中,环境友好型沿海结构已成为极大的兴趣。浮式防波堤属于波保护和恢复保护沿海地区这个特定类别。浮式防波堤的主要功能是减弱波浪作用。这种结构不能阻止所有的波浪作用。入射波传输部分,部分反射,部分消散。能量耗散是由于在防波堤的边缘产生的阻尼、摩擦和涡流。防波堤生成一种辐射波在海上和向海岸的方向传播。运动防波堤规定的锚定,定义了防波堤的自由度。
浮式防波堤的水动力问题是极其复杂的,尤其是一个移动的结构。有几项研究处理浮式防波堤在深水,中等水深的水动力问题。建立线性模型和分析解决方案,描述完整的水动力等问题,已经由Hwang和Tang(1986)、 Williams and McDougal (1991), Drimer (1992)等人, Bhatta and Rahman (1993), Isaacson 和 Bhat (1998), Williams (2000)等人 和 Kriezi (2001)等人发展成熟。通过衍射和物体运动耦合的解决方案消除线性方法所引入的误差(Isaacson, 1982a; Gottlieb and Yim, 1995)。有限的研究已解决了浮体与斜波的相互作用问题(Isaacson and Bhat, 1998; Sannasiraj et al., 1998)。当前浮式结构物背后以及上部已由Isaacson (1982b)研究。不同的模型由计算浮式防波堤系泊力的系统研究(Niwinski 等人, 1982;Yamamoto,1982;Yamamoto 等人, 1982; Nossen 等人, 1991;Yeung 等人,1992; Isaacson 和 Bhat, 1994;Yoon 等人, 1994)。
然而,实验研究非常有限,在小规模的设施,仅规则波作用下进行。Sutko和Haden(1974)提出了一系列小规模的实验。Fugazza和纳塔尔(1988)研究了在数值模拟和实验方面的现象。他们调查了影响水平刚性的系泊系统的一部分。他们调查了系泊系统水平部分的刚度的影响。实验研究防波堤浮动模式的现象的被威廉姆斯(1988)提出,研究了它的效率和结构的响应。Tolba(1998)和Isaacson和Bhat(1998)试验研究了桩约束下的浮式防波堤,特别是,升沉运动对结构的效率的影响。Christian(2000)研究了1:15的缩尺比的预制浮防波堤并在实验室模型调查结构效率和水平力。
这项研究在大规模设施中实验研究了常规和不规则波的水动力与浮式防波堤间相互作用。入射波的影响特点和特定的几何特征,如宽度和结构的吃水,检查其效率。四个不同的浮式防波堤配置检查: (a)单一固定浮式防波堤,(b)升沉运动浮式防波堤 , (c)带有连接平板(不透水和渗透) 的单一固定浮式防波堤和(d)双固定浮式防波堤 。
2.实验设施和过程
实验在巴塞罗那，加泰罗尼亚理工大学的CIEM水槽中进行。水槽的尺寸是长100米,深5米和宽3米。浮式防波堤是水平放置在2米水深的水槽中。防波堤的长度是2米,高1.5米,横向长度2.8米。使用的是一个HR Wallingford楔形造波机，这个实验设备由一些Wallingford测波探头，Huba Control压力探头和二分量Delft Hydraulics流速计组成。在图1中,水槽的布局和仪表显示单一防波堤测试,而双防波堤的情况在图2中表示。Mansard和Funke(1980)提出，在实验中,将一个移动的箱体用于计算反射的测波计以维持三波仪表之间适当的距离，箱体和结构之间的距离至少大于半个波长。测波计在结构物后,用于估测传输,实验期间也被放置在不同的位置保持它们彼此以及与结构物之间至少半个波长。实验中采样频率是20 Hz。
图1 单固定浮式防波堤和仪表的CIEM水槽的布局
图2 双固定浮式防波堤和仪表的CIEM水槽的布局。
实验由四种不同的设置组成,根据浮式防波堤的配置。四个不同的浮式防波堤配置设置为:(a)单一固定浮防波堤(b)升沉运动浮式防波堤(c)单一固定浮防波堤前(渗透和不透水)板和(d)双固定浮防波堤。在每一种设置中,生成的规则波和不规则波覆盖一系列的浅水和中间水域(0.04 lt; d / L lt; 0.35，d = 水深， L =波长)。四种配置分别由图3 - 6中给出。
图3 波浪作用下的单一固定的浮式防波堤 图5 带有多孔板的固定浮式防波堤
图4波浪作用下的升沉运动浮式防波堤 图6 波浪作用下的双固定浮式防波堤
单一固定的浮式防波堤使用了三种不同的吃水(dr)0.4米,0.5米和0.65米(分别是dr/ d = 1/5、1/4、1/3,)。规则波的情况下使用了两个不同的波高,0.2和0.3米。最短的0.2米波高的波的周期是2.04 s(B / L = 0.32)和0.3米波高的波周期是2.34s。波高0.3米的短周期波被避免因为会产生破坏的结构物猛烈波。在这两种情况下,最长波的周期为9.17s(B / L = 0.0445)。不规则波根据JONSWAP谱生成,形状参数gamma;= 3.3。有效波高为0.3米。三个最大波周期被用于每个吃水2.67s(B / L = 0.19),3.16s(B / L = 0.15)和5.04s(B / L = 0.08)。应该注意的是B / L = d / L(实验中B = d)。大约生成1200个波以获得适当的统计信息来重建能量谱。
在第二组实验中,对升沉运动浮式防波堤进行了测试。浮式防波堤的初始吃水为0.4米(dr / d = 1/5)。铁轨被连接到水槽的墙壁以抑制结构物的水平和旋转运动,而结构物上的润滑过的充气滚轮允许无限制的带有最小摩擦的垂直运动(图4)。结构的重量是2240公斤,由于额外的的重量加到防波堤上，质量中心在自由面0.2米以下。位置传感器被放置在结构物上来记录浮式防波堤的垂直运动。测试波条件与单一固定浮防波堤的情况相同。
第三组实验中,对一个固定的前部附带一个金属板的浮式防波堤进行了测试。Christian(2000)和Tolba(1998)实验测试了在水下结构物底部的中间附带一个金属板的浮式防波堤。他们得出的结论是,金属板提高了结构物的效率, 但并没有总吃水等于金属板的浮式防波堤的效率高。观察在单一固定防波堤水下部分前面生成的涡(图7)引出测试前部带有板的浮式防波堤的想法,揭示板的位置对浮式防波堤效率的影响。浮式防波堤的吃水为0.2米(dr / d = 1/10)。金属板的高度是0.2米,导致在浮式防波堤的前面局部吃水0.4米。测试波条件与单一固定浮防波堤的情况相同。
同时,对前部带一个孔板(孔隙度为0.62)的单一固定浮防波堤进行测试以改善板的耗散特性。几何特征与不透水板情况相同。五十个孔钻到板上。每个孔半径为4.3厘米,而他们在板上呈等距的两排,导致孔隙度为0.62(图5)。测试波条件与单一固定浮防波堤的情况相同。
在第四组实验中,对双固定浮防波堤进行测试。两个防波堤的几何特征是相同的。图2展示的是双水槽防波堤的布局。两防波堤之间的距离是9.5米,吃水为0.5米。图6展示的是一组特定实验的一张照片。测试波条件与单一固定浮防波堤的情况相同。
对每一种情况估算其反射和透射波。波反射分析是基于Mansardand Funke(1980)提出的方法。这个方法用来自测波计3,4和5的信号来实现。在防波堤附近的能量耗散也被使用以下方程研究：
Ct2 Cr2 Cd2=1
其中Ct是透射系数(Ht / Hi),C r反射系数(Hr / H i),Cd能量耗散系数,Ht透射波的高度,Hr反射波的高度,和Hi入射波的高度。
3. 量纲分析
浮式堤的效率是通过上述透射系数Ct表示的。Christian (2000)提出了下列方程作为弹性锚泊浮防波堤现象量纲分析的结果:
C t = f(H i /L,B/L,dr/d,d/H i ,M/gamma;b Bdr,I/MB2 ,DG /dr,kB/Mg)
gamma;b =防波堤的具体重量,g =海水比重,M =防波堤的质量,I=第二转动惯量, DG =防波堤内侧的重心,k =系泊系统的刚度。
在单一固定浮防波堤情况下，B/L 和dr/d的比例对于规则波和不规则波来说已被证明是最重要的参数。对于升沉运动浮式防波堤,运动效率的影响已被研究(图8)。板和多孔板的影响,即提供了一个局部吃水增量,将在接下来的两组实验中研究。在上一个设置中,即双浮防波堤配置测试,以揭示任何共振现象的结构效率和影响两种结构之间的关于水的质量。在上一个配置中,测试了双浮防波堤配置,揭示了结构的效率，以及与两个结构物间水质点相关的任何共振现象的影响。
图7 固定浮式防波堤上游底部 图8 升沉运动浮式防波堤上游底部
生成的漩涡 生成的漩涡
图9 规则波中单固定防波堤的C r , C t 和 C d 随B/L的变化
4．结果分析
4.1 单一固定浮式防波堤
这种情况对于规则波的结果在图9中呈现。展示了B/L(或d / L 因为在实验中B = d)对浮式防波堤的性能的影响。B/L大于0.25的结构性能可以被认为是满足所有dr/d，因为Ct小于0.5。浮式防波堤在中等水深和深水(d / L gt; 0.25)短周期波作用下效率更高。
dr/d的影响也是如这个图所示。前两个吃水(dr/d = 1/5 和dr/d = 1/4)之间没有明显的区别。在第一种情况(H i = 0.2米)下透射系数的值达到0.39,而在第二种情况的值为0.35。第三例(dr / d = 1/3)的值为0.25，传播的差异是显而易见的。
C d随B / L的变化也如图9所示。在第一种情况(dr / d = 1/5)下,能量耗散系数随波周期减少而增加，表明短周期波能量耗散增加。观测到这种现象主要是由于在结构物前面水下部分观测到的随着波长减小而增长的气水振荡漩涡的强度（图7）。这表明数值模型应该正确说明强烈的漩涡出现在结构物的前部而不是后部(Kriezi 等 ,2001)。在实验中并未观察到后部的漩涡，表明它们的强度非常有限。对于后部的漩涡，最长周期波，即H i = 0.3米,C d的值达到0.2,最短周期波的值为0.4。在第二种情况下(dr / d = 1/4),系数以从0.3到0.4增加的趋势趋向常数。最后,第三吃水(dr / d = 1/3),能量耗散系数几乎是恒定的，平均值为0.45左右。这是由于FB附近稳定的漩涡和深吃水的浮式防波堤以反射的方式表现出更高的效率。所有情况下的反射系数高于长周期波的值0.4和低于短周期波的值0.9。这表明固定的浮式防波堤以反射的方式执行,尤其是深吃水浮式防波堤。
对于不规则波,图10显示出传输和反射系数变化趋势与与其B/L 和 dr/d的值相对应的规则波是相似的。然而,能量耗散系数有显著的差异。系数呈现不断增加的趋势值达到0.65,而在相应的规则波,值小于0.5。这一现象揭示了不规则波在传播，反射和传输过程中产生的紊乱过程的影响。
图10 不规则波中单固定防波堤的C r , C t 和 C d 随B/L的变化
4.2 升沉运动浮式防波堤
这个配置对于规则波的结果以及为作比较单一固定浮防波堤的情况如图11所示 。图11表现了B/L(d/L)对浮式防波堤的性能的影响。B/L大于0.275,升沉运动浮式防波堤的性能满足要求因为Ct小
剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[146690]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
