本文關(guān)鍵詞： 多向不規(guī)則波 方向分布 群墩 波浪荷載 耦合模型　出處：《大連理工大學(xué)》2015年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：群墩結(jié)構(gòu)是海岸及海洋工程建筑物的典型結(jié)構(gòu),通常由一系列大尺度墩柱(墩柱直徑D與波浪波長λ之比D/λ=0.15)組成。隨著對海洋資源的進(jìn)一步開發(fā),越來越多的離岸建筑物采用群墩結(jié)構(gòu)的形式,例如跨海大橋和海上風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)、海上鉆井平臺和浮式機(jī)場等。而波浪是海洋工程結(jié)構(gòu)物上的主要荷載,因此精確計(jì)算波浪對群墩結(jié)構(gòu)物的作用對于工程設(shè)計(jì)具有重要的意義。然而,目前的研究和工程設(shè)計(jì)規(guī)范大多考慮的是單向波浪,而在實(shí)際的海洋中,波浪是多向不規(guī)則的,其能量不僅分布在一定的頻率范圍內(nèi),而且分布在相當(dāng)寬的方向范圍內(nèi)。波浪的方向分布對于海浪預(yù)報(bào)、波浪繞射和折射、波浪作用下泥沙運(yùn)動以及波浪對建筑物的作用等都具有較大的影響。因此,對多向不規(guī)則波浪與群墩作用的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用價值。物理模型實(shí)驗(yàn)是研究多向不規(guī)則波浪與群墩作用的重要方法。本文首先詳細(xì)的介紹了多向不規(guī)則波浪與群墩作用的實(shí)驗(yàn)布置以及實(shí)驗(yàn)過程,然后通過模型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)地研究了多向不規(guī)則波浪與大尺度墩柱作用時的波浪荷載。通過對波浪荷載的時間過程線進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得到了作用在墩柱上的正向力、橫向力和爬高。當(dāng)入射波浪為單向波浪時,由于墩柱兩側(cè)的波壓力差為零,并不會出現(xiàn)橫向力。但是當(dāng)波浪為多向波時,由于波浪的能量分布在一定的方向范圍內(nèi),波浪的波峰線較短且是隨機(jī)的,此時墩柱兩側(cè)的波壓力差不恒為零,因此出現(xiàn)了橫向力。橫向力受波浪方向分布的影響比正向力顯著,隨著方向分布集中度參數(shù)s的減小,即波浪的方向分布寬度逐漸增大,作用在墩柱上的橫向力明顯增大。波浪的方向分布對墩柱表面上的爬高也有一定的影響,最大爬高發(fā)生在圓柱迎浪面的最前點(diǎn),但是最小點(diǎn)的位置卻隨著方向分布集中度參數(shù)而發(fā)生變化,當(dāng)s較小,即方向分布較寬時,a=180°處的爬高最小,當(dāng)s較大時,a=135°處爬高最小同時,本文基于波浪與群墩作用的線性理論,通過傳遞函數(shù)的方法,建立了多向不規(guī)則波浪與大尺度墩柱及群墩結(jié)構(gòu)作用的計(jì)算方法。通過計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比,對該計(jì)算方法進(jìn)行了驗(yàn)證。進(jìn)一步計(jì)算研究了多向不規(guī)則波浪與大尺度墩柱及群墩的作用。多向不規(guī)則波浪與群墩結(jié)構(gòu)作用時,隨著方向分布寬度的變大,波浪場中大多數(shù)位置處的波高與單向不規(guī)則波浪作用結(jié)果的比值都隨之變大,部分位置可增加50%。波浪的方向分布對群墩結(jié)構(gòu)所受波浪力也有明顯的影響,對于串列群墩,由于波浪方向分布的原因,最大橫向力一般發(fā)生在后排的墩柱上。這與單向波浪作用時的結(jié)果是完全不同的,在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中需予以注意。同時對常用的群墩系數(shù)進(jìn)行了研究,給出了不同布置形式群墩結(jié)構(gòu)的群墩系數(shù)。此外,波浪俘獲現(xiàn)象不僅在規(guī)則波作用下會發(fā)生,在多向不規(guī)則波浪作用時也會發(fā)生,使得墩柱所受波浪荷載明顯變大。進(jìn)一步,為了考慮波浪非線性的影響,本文采用基于OpenFOAM建立的數(shù)值波浪水池來模擬多向不規(guī)則波浪與大尺度墩柱的作用。針對基于求解Navier-Stokes方程的OpenFOAM波浪水池在模擬多向不規(guī)則波浪時計(jì)算量較大、速度較慢的缺點(diǎn),本文采用勢流理論與OpenFOAM建立了耦合的數(shù)值計(jì)算方法,該方法可以減少OpenFOAM波浪水池的計(jì)算量、提高計(jì)算效率。并采用耦合模型模擬了多向不規(guī)則波浪與大尺度墩柱的作用,數(shù)值模擬得到的作用在墩柱上的波浪力和爬高與實(shí)驗(yàn)值更接近。
[Abstract]:Pier group structure is a typical structure of coastal and ocean engineering structures, usually consisting of a series of large scale cylinder (pier diameter D and the ratio of D/ wave wavelength lambda =0.15). With the further development of marine resources, offshore building more and more in the form of pier group structure, such as the foundation of the bridge and offshore wind turbines, offshore drilling platforms and floating airport. The wave is the main load of ocean engineering structures, therefore accurate calculation of wave on pier group structure has important significance for the engineering design specification. However, most of the current research and engineering design consideration is the one-way wave, and in the actual in the ocean, the waves are multidirectional and irregular, not only the energy distribution in a certain frequency range, and distributed in a wide range. The direction of wave direction distribution for wave forecast, wave diffraction and refraction Under the action of waves, sediment movement and the effect of waves on buildings are of great influence. Therefore, the research of multi-directional irregular wave and the effect of pier group has important practical significance and application value. The physical model experiment is an important method to study the multi-directional irregular wave and pier group role. This paper first described in detail the experimental arrangement of multi-directional irregular wave and pier group effect and experiment process, and then through the model experiment system of wave loading multidirectional irregular waves and large scale pier column. Through statistical analysis of wave load time curve obtained positive force in the pier, lateral force and climbing when the incident wave is one-way wave, the wave pressure on both sides of the pier is almost zero, and no lateral force. But when the waves for multi wave, the wave energy distribution in A certain direction, the wave crest line is short and random, the wave pressure difference on both sides of the pier is not identically zero, so there was a lateral force. The transverse force is affected by the distribution of wave direction than positive force significantly, with the decrease of s concentration distribution parameters, namely the wave direction the distribution width increases gradually, lateral force on the pier increases obviously. Also has some influence on the pier surface on the distribution of wave runup in the direction of maximum run-up occurred yinglang in the cylindrical surface of the front, but the minimum position but with the direction of distribution of moderate change parameters set, when s is small that is, the direction of the wide distribution, a=180 degrees at minimum climb, when s is large, a=135 DEG climbing at the minimum, the linear theory of wave and pier group based on action, through the transfer function method, a multi-directional irregular wave with large scale cylinder The calculation method and the structure of pier group effect. Through the comparison between the calculated and experimental results, the calculation method was verified. Further studied effects of multidirectional irregular waves and large scale pier and pier group. The multi-directional irregular wave and pier group structure, with the direction of distribution width became larger the ratio at most locations in the wave field of wave height and unidirectional irregular wave action results become bigger, some position can increase 50%. wave direction distribution of pier group structure by wave force also has obvious implications for the tandem pier group, due to the distribution of wave direction, the maximum lateral force generally occurs in the the back of the pier. This one-way wave action and the result is completely different, and should be paid attention to in the actual engineering design. At the same time on the pier group coefficients are studied, given the different layout of pier group The coefficient of pier group structure. In addition, the wave trapping phenomenon not only in regular waves will happen, will happen in irregular wave action, the pier under wave load was significantly larger. Further, in order to consider the influence of non-linear wave, the numerical wave tank based on OpenFOAM to simulate the multi-directional regular waves and large scale pier. According to OpenFOAM wave based on the Navier-Stokes equation in the simulation of multi-directional irregular wave when the large amount of calculation, the slow speed, the potential flow theory and OpenFOAM established a coupling numerical method used in this paper, the method can reduce the amount of calculation of OpenFOAM wave, improve the computational efficiency and the coupling model to simulate the multidirectional irregular waves and large scale pier, by numerical simulation on pier column wave force and climbing and The experimental value is closer.

【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：P731.22;P75

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本文編號：1514376