全波谱条件下三类布拉格防波堤的最优配置

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所谓布拉格潜堤,由近海区域水下一列形状大小均等的人工沙坝组成,它们与海岸平行,且相互之间的间距相同.依据布拉格共振原理,当外海入射波列的波长为人工沙坝相邻间距的两倍时,波浪与布拉格潜堤之间将产生布拉格共振,从而形成可观的共振反射水墙,阻挡入射波列对近岸的侵入.由于此一重要作用,近年来,布拉格潜堤成为近海工程中近海设施防护和海岸本身保护的重要工法.基于显式修正缓坡方程,本硕士学位论文研究梯形、半余弦形和抛物形布拉格防波堤引起的布拉格共振反射现象.首先,采用变量替换的技术和Taylor级数或Frobenius级数技术,本文构造了波浪在这三类布拉格防波堤上传播时,显式修正缓坡方程的级数解析解,并给出了各自级数解收敛的充要条件.接着利用系列矩阵乘法法则,给出了反射系数的解析表达式.相比于Miles于1981年利用摄动法得到的解析公式,本文的解由于没有小参数的限制,对于沙坝较高的情形更为精确.另外,与实验解和数值解的对比验证表明,本文得到的解析解与几组实验解都很吻合,印证了本文所得到的准确解析解的正确性.通过对三个解析解的解析表达式的分析可以发现,反射系数依赖于人工沙坝的个数,无维化间距,无维化高度和无维化宽度,对于梯形沙坝,则还依赖于前后坡斜率.而共振反射系数(即反射系数峰值)则依赖于人工沙坝的个数,无维化高度和无维化宽度.也就是说布拉格共振反射的峰值为一个三元函数.而当沙坝个数固定时,拉格共振反射的峰值为一个二元函数.本文对这些沙坝参数中的每一个参数对共振反射系数的影响进行了仔细分析.基于这些分析,最后导出了使得梯形、半余弦和抛物形布拉格防波堤产生最大布拉格共振反射的优化曲线,即本文找到了布拉格防波堤产生共振反射时这些参数的优化配置方案.只要已知入射波列的波长,首先为达到布拉格共振反射的条件,取两个相邻人工沙坝的间距为入射波长的一半,则根据布拉格潜堤的最优配置曲线,对任何高度的沙坝,本文都可以找出对应的沙坝宽度,使得所产生的布拉格共振反射峰值达到最大.毫无疑问,这些最优配置曲线对布拉格潜堤的基础设计和低成本建造具有重要的指导意义.
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