准椭圆沉箱波浪力的试验与数值研究

来源 :大连理工大学 | 被引量 : 5次 | 上传用户:sakurzhe
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为适应船舶大型化、降低投资成本以及缩短工期的需要,当前深水港口建设常选在天然水深条件好或稍经疏浚的离岸深水区域且为开敞式码头。准椭圆沉箱是一种有广阔应用前景的新型深水开敞式码头结构型式,其水平断面由前后两个半圆和中间矩形三部分构成。相比传统的圆沉箱,准椭圆沉箱适合预制巨型沉箱。码头上部结构安置于一排准椭圆沉箱基础上,能有效避免采用两排圆沉箱导致的基床不均匀沉降问题。不开孔准椭圆沉箱首次应用于大连港矿石码头二期工程,有效地降低了码头面高程,实现了较好的使用性能、安全性能与经济效益。目前,关于准椭圆沉箱新结构的水动力特性研究工作还很少,尤其是开孔准椭圆沉箱。因此,开展准椭圆沉箱的水动力特性研究具有重要的实际意义和推广应用价值。本文应用物理模型试验和数值模型计算相结合的手段,对不开孔准椭圆沉箱和开孔准椭圆沉箱的波浪力进行了系统地研究。首先,本文开展了规则波和不规则波作用下不开孔与开孔准椭圆沉箱群墩波浪力的试验研究,分析了相对间距、入射波向、相对波高等因素对不开孔与开孔准椭圆沉箱群墩波浪力的影响;并对不开孔与开孔准椭圆沉箱群墩波浪力进行了比较。其次,本文建立了计算不开孔准椭圆沉箱单墩波浪力的频域数值计算模型。应用二维源分布法对不开孔准椭圆沉箱单墩规则波波浪力进行了数值模拟。基于二维源分布法得到不规则波浪的各个组成波作用于结构上的波浪力分量,应用波谱分析方法给出不同累积概率下作用于结构上的不规则波波浪力。计算结果与解析解、试验结果的比较验证,显示了该频域计算模型的正确性和有效性。应用该频域模型研究了入射波向、相对长宽比等因素与不开孔准椭圆沉箱单墩波浪力之间的关系。最后,本文建立了波浪与开孔准椭圆沉箱相互作用的三维时域数值计算模型。应用有限差分方法直接求解三维N-S方程,采用VOF方法跟踪流体自由表面。引入部分单元体方法处理开孔准椭圆沉箱边界并取得良好效果。基于椭余波理论,设置了规则波数值造波边界;采用海绵层阻尼消波和Sommerfeld辐射条件相结合的方法解决水槽末端的波浪反射问题,海绵层内的衰减系数选取为根号形式。时域数值模型的有效性进行了验证,应用该时域模型研究了开孔准椭圆沉箱单墩与群墩周围的流场与波面特征,开孔准椭圆沉箱波浪力也进行了数值研究并与不开孔准椭圆沉箱波浪力进行了比较。
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