摘要：该文基于计算流体力学方法,对极端海况聚焦波作用下的漂浮式风机运动响应与气动特性进行研究。首先,依托开源软件OpenFOAM与自研求解器FOWT-UALM-SJTU,实现了面向双参数PM波浪谱聚焦波的数值模拟,并与试验结果进行比较验证,吻合良好。随后,在两种不同聚焦幅值工况下,以OC3 Spar型漂浮式风机平台及NREL 5 WM风机作为研究对象,开展气动-水动-系泊一体化仿真计算,对聚焦波作用下的漂浮式风机运动响应和气动性能进行分析。结果表明:聚焦波将引起风机在纵摇运动与垂荡运动时产生剧烈响应,风机叶片展向的气动攻角在聚焦时刻显著降低,风机气动功率与气动推力难以在短时间内恢复;同时,聚焦波将导致尾流中心和边界出现波动,极端波浪条件将扩大风机尾流速度亏损范围,对下游风机产生不利影响。

摘要：基于非静压数值计算模型,本文系统研究了聚焦波作用下透水潜堤的消波特性,通过设置合理的计算工况,详细分析了波高、堤顶水深、谱峰周期、孔隙率以及堤顶宽度5种因素对透水潜堤消波特性的影响。与此同时,本文将透水潜堤的计算结果同不透水潜堤的计算结果进行了对比分析。计算结果表明:透水潜堤对聚焦波的消减作用要强于不透水潜堤,从而说明,透水潜堤能更有效地降低畸形波对海岸基础设施的影响;波高和堤顶水深是影响潜堤消波特性的重要因素,随入射波高增加、堤顶水深减小,透水潜堤对波浪的消减作用逐渐增强。透水潜堤对长周期波浪的消波效果较差。在本文考虑的孔隙率范围内,孔隙率越大,透水潜堤消波效果越好;当孔隙率为0.4,堤顶宽度为0.6125 m时,透水潜堤可消减54%的入射波能,比不透水潜堤对入射波能的消减增加36.1%。本文研究结果可为进一步认识透水潜堤的消波特性和海岸防护工程设计提供相应的参考。

摘要：由于沿海区域的限制以及愈加严重的环境污染,渔业养殖正从近海走向深远海。深远海海域的海况更加恶劣,给养殖装备的设计与性能评估带来新的挑战。为解决该问题,对极端波浪与养殖装备网衣结构的相互作用开展研究。基于waves2Foam建立数值波浪水池,极端波浪模拟采用基于NewWave理论的聚焦波模型,网衣结构模拟采用多孔介质模型,并通过与Morison模型计算的网衣受力等效分析,获得多孔介质模拟网衣结构阻力系数的直接估计方法。然后将多孔介质模型嵌入waves2Foam中,开展聚焦波与网衣结构相互作用的数值模拟,同时开展水槽试验,验证数值模拟的准确性。基于数值模拟结果,系统地分析了不同网衣密实度及不同波浪参数下网衣结构的升阻力特性以及网衣结构对波浪场的扰动规律。研究表明:聚焦波波峰幅值和网衣密实度对网衣结构的升阻力影响较大,且升力峰值出现在阻力为0的时刻;网衣结构对聚焦波的时空演化特性有影响,改变了聚焦波波形。

摘要：在一些恶劣的海洋环境中,极端波浪与向岸风之间存在复杂的相互作用,严重威胁沿海设施的安全。本文基于二维不可压缩两相流数值模型,系统研究了向岸风对聚焦波海堤越浪特性的影响,并重点讨论了向岸风风速、有效波高以及堤顶超高等因素对聚焦波海堤越浪水动力过程的影响机制。结果表明,随着向岸风风速、有效波高的增大以及堤顶超高的减小,聚焦波在斜坡式海堤上的最大越浪量、最大爬高、海堤的最大荷载以及沿程最大水位逐渐增大。向岸风会影响聚焦波的传播演变,增大聚焦波的波陡和传播速度,使波浪的破碎时刻和破碎位置提前,聚焦波高速流动的水体区域也明显增大,相比无风情况,其最大越浪量、最大爬高、最大水动力荷载以及沿程最大水位均有所增大。本文研究结果可为极端波浪的防灾减灾以及海岸防护工程的设计提供一定的参考。

摘要：台风引起的巨浪将严重威胁跨海桥梁施工期围堰的安全,台风波浪较普通规则波浪具有周期更长、波高更大特点,正好符合聚焦波浪的特征。为更好地指导跨海桥梁围堰抵抗极端台风浪设计,开展聚焦波浪与哑铃型桥梁围堰相互作用的波浪水槽试验研究,探讨围堰吃水深度、聚焦波最大波幅、入射角度对测点波面位移及波浪力的影响。其中,分析结果表明,围堰吃水深度及入射角度的变化对测点波面位移的影响不大。随着吃水深度增加,垂直波浪传播方向的有效投影面积增大,围堰顺波向波浪力明显增大。由于波浪能量沿水深衰减,底部浮托力随之减小。随着入射角度增加,有效投影面积增大使得围堰顺波向波浪力非线性增大,而围堰底部浮托力则变化较为平缓。当入射角度和波幅均较大时,围堰顺波向和垂向浮托力的正、负向幅值差异均较大,呈现较明显的不对称性,若按对称受力设计施工方案可能偏危险。与同波幅的聚焦波浪相比,长波条件下若按线性波考虑作用于结构的波浪力将偏不安全,实际跨海桥梁工程设计时有必要按聚焦波浪考虑台风波浪作用。

摘要：波浪砰击荷载分布及运动响应特征是浮式防波堤设计的关键因素,聚焦波由于波陡高、破坏力强,严重影响海洋结构安全。采用光滑粒子流体动力学方法,建立了能够模拟波浪-浮体相互作用的耦合模型,基于建立的耦合模型分析了聚焦波作用下浮式防波堤的运动响应及砰击荷载变化特征,对比论证了聚焦波作用下防波堤迎浪侧与背浪侧系泊缆受力差异。研究结果表明,波浪砰击荷载最大值出现在防波堤迎浪侧的最低点,聚焦波作用下浮式防波堤的纵荡呈现出非对称性特征,砰击荷载、系缆拉力在浮式防波堤迎浪侧与背浪侧存在较大差异。

摘要：【目的】研究聚焦波作用下悬浮隧道水动力及结构动态响应特性。【方法】采用高精度有限体积方法数值求解不可压缩两相流动控制方程,建立高精度数值波浪水槽模型。应用嵌套网格技术,采用四阶Runge-Kutta方法,数值计算了波浪荷载作用下悬浮隧道动态响应的弹簧-质量-阻尼系统。通过设计合理的计算工况,系统分析不同波浪要素及结构动力参数对悬浮隧道水动力特性及结构动态响应的影响。【结果】聚焦波作用下悬浮隧道所受最大水平荷载稍大于竖向荷载,最大水平位移远大于最大竖向位移,约为最大竖向位移的5倍。【结论】随着有效波高的增加,悬浮隧道所受水动力荷载逐渐增大,结构动态响应逐渐增强;水深和谱峰周期对悬浮隧道水动力及结构动态响应的影响有限;随着淹没深度的增加,悬浮隧道所受波浪荷载逐渐减小,结构动态响应逐渐减弱;在相同入射波条件下,悬浮隧道直径越小,动态响应越小。上述研究结果可为悬浮隧道的参数设计提供一定参考。

摘要：基于势流理论建立二维完全非线性数值波浪水槽模型,利用该模型对二维驳船结构在非线性聚焦波作用下的高频共振响应(ringing现象)进行了研究.引入高阶边界元方法解决边界值问题,应用混合欧拉-拉格朗日方法和四阶龙格库塔法模拟结构物与波浪的相互作用.引入虚拟函数法耦合求解波浪载荷与物体运动.文中对聚焦波浪的传播特性进行了数值模拟,并将数值结果与试验值进行了对比验证.基于完全非线性数值波浪水槽,研究了聚焦波浪与结构物的相互作用问题,研究结果表明当聚焦波浪主频的三倍频等于或接近物体横摇方向固有频率时,物体在横摇方向将会产生ringing现象,在聚焦波浪经过浮体之后浮体仍会以高频振动的方式持续运动,进一步分析表明导致浮体发生ringing现象的入射波频率范围较大,在海洋结构物设计中应尽量避免入射波浪的三倍频接近浮体的固有频率.

摘要：基于高精度双层Boussinesq方程,建立了聚焦波的时域波浪数值水槽。时间积分采用混合4阶Adams-BashforthMoulton预报-校正格式,聚焦波生成则采用累加不同频率规则波的内部造波源项法。针对Baldock等的聚焦波试验进行数值计算,计算结果与试验数据吻合较好。利用验证后模型进一步考察了非线性对数值计算聚焦波的影响,其中考虑了强非线性、弱非线性以及线性3种情况,结果表明非线性对精确模拟聚焦波至关重要,强非线性模型给出的结果最好,弱非线性次之,线性最差。

摘要：飓风引起的极端波浪是影响近海桥梁结构安全的重要灾种之一,曾在美国墨西哥湾沿岸造成了大量已建低矮跨海桥梁损毁。探究台风波浪对桥梁上部结构的作用机理,发展波浪作用力计算方法,对保证中国近海地区桥梁结构安全具有重要意义。为准确考虑台风极端波浪的频谱特征,使用连续聚焦波作为入射波,开展了不同波幅、峰值频率和净空的模型试验。试验基于Froude准则采用1∶25缩尺比进行设计,研究对象为T形肋梁桥,试验过程中观测了聚焦波作用下T形梁桥受到的水平和竖向波浪作用力。研究结果表明:采用连续聚焦波作为入射波,通过设置合适的聚焦波周期可以避免二次反射波对入射波的污染,确保试验结果的可信性;波浪作用力中包含了低频准静力和高频砰击力,砰击力峰值一般出现在波浪与结构接触的初始阶段;一般情况下波浪作用力随波幅增大而增大,但存在明显的非单调特征;T形梁桥波浪力随净空增大有明显的先减小后增大的趋势,但峰值频率为0.4 Hz的大波幅聚焦波在净空为2.0~3.0 cm时波浪作用力最大;基于试验结果拟合出的波浪力简便估算方法能够有效计算波浪作用力,可为T形梁桥抗波浪设计提供参考。