一种确定浮式防波堤断面物理模型试验参数的方法与流程

1.本发明涉及一种确定浮式防波堤断面物理模型试验参数的方法，属于海洋工程领域。


背景技术：

2.全球城市化脚步不断加快，跨水域实现道路连通可利用海底沉管及隧道得到很好地解决，而运用该手段又可实现环境影响及水面航运影响最小化，因此在海峡中修建的水下隧道工程数量日益增多。但海底沉管及隧道施工时，3级以上风浪给沉管的浮运和沉放带来了全新的技术挑战，直接影响海底沉管的施工效率。为了在复杂多变的水域环境中顺利完成短期的海底沉管的施工，可在外围采用多道浮式防波堤进行一定的挡浪消波，将6-7级风浪逐渐消减到3级及以下，并且保证每道浮式防波堤具有消减50%波浪能的功效。
3.目前，浮式防波堤在消浪机理、设计、海试等方面均不成熟，浮式防波堤的研究更多地借用物理模型试验和数值模拟等手段。但是，浮式防波堤的物理模型试验不同于常规的模型试验，其试验周期长，而且每次模型试验需要花费大量的物力和人力；同时如果仅靠数值模拟，但又无从下手。这就要求在模型试验之前尽量获得合适的模型尺寸，以减少无效模型试验的次数。如何获得合适的浮式防波堤模型尺寸和进行试验的波浪参数，现有技术中还没有一种系统的方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种确定浮式防波堤断面物理模型试验参数的方法。为浮式防波堤模型尺寸的确定和波浪参数的选取提供一种系统、快速、有效的方法。
5.为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：一种确定浮式防波堤断面物理模型试验参数的方法，包括确定试验波浪的波浪参数及确定模型尺寸的步骤；其中，确定试验波浪的波浪参数的步骤，包括：根据实际海域水深、波浪水槽尺寸确定缩尺比，进而获得水槽水深；选取目标波浪，根据目标波浪的波浪周期和缩尺比计算出试验波浪参照值的波浪参数；根据波浪水槽的造波能力及造波要求，确定辅助试验波的波浪周期的可选择范围；在辅助试验波的波浪周期的可选择范围内选择辅助试验波的波浪周期，并采用试验波浪参照值的波陡，将选择的辅助试验波的波陡与其保持一致，进而得出辅助试验波的其他波浪参数；其中，确定模型尺寸的步骤，包括：采用浮堤吃水部分涉及波浪能占全水深波浪能比例公式确定模型防波堤吃水高
度d；采用浮式防波堤透射系数经验公式确定模型防波堤纵向宽度b；用cfd软件对模型防波堤进行第一次数值求解，以确定消浪效果是否理想；是，则开始物理模型水槽断面实验或在保证外轮廓与方箱矩形模型防波堤一致的情况下设计新型防波堤；否，则调整模型防波堤吃水高度d或/和模型防波堤纵向宽度b，至消浪效果理想；所述采用浮堤吃水部分涉及波浪能占全水深波浪能比例公式为：。
6.相对于现有技术“根据经验数据选取吃水高度d”，所选取的吃水高度d往往偏差较大导致实验失败；本发明开创性的采用“浮堤吃水部分涉及波浪能占全水深波浪能比”公式来确定模型防波堤吃水高度d，使得吃水高度d的选取更加准确。
7.所述实际海域水深，是指防波堤所要设置在的目标海域的水深。根据水深和波浪水槽的高度的比值及浮式建筑物模型设计准则确定一个缩尺比。
8.所述水槽水深，根据实际海域水深和缩尺比，采用公式计算得出。
9.所述试验波浪即为波浪水槽制造的、用于试验的波浪。
10.所述目标波浪即为防波堤所要消解的波浪。目标波浪选定之后，目标波浪的波浪周期是确定的。根据目标波浪的波浪周期和和缩尺比，采用弥散关系公式的变式公式迭代逼近计算出试验波浪参照值的波浪参数。所述波浪参数包括但不限于波浪周期、波长、波陡和波高。
11.波浪水槽选定之后，其造波能力是确定的。所能制造出的试验波的波浪周期则有一确定范围；在选择试验波时，其波浪周期不能超出该波浪周期范围。另外，模型试验对波长有一定的要求，根据该造波要求能获得另一波浪周期范围；在选择试验波时，其波浪周期也不能超出该波浪周期范围。
12.所述选择辅助试验波的波浪周期是指：以试验波浪参照值的波浪周期为基准，选取大于和小于试验波浪参照值的波浪周期的各3-5个波浪周期作为辅助试验波浪的波浪周期。
13.在进行确定辅助试验波的波浪周期的可选择范围之前，还可以进行以下操作：将波陡与水域判断标准比较，根据波陡判断得出试验水域与实际水域是否一致；如果一致，继续下述步骤；如果不一致，则重新选择目标波浪，至试验水域与实际水域一致为止。
14.在得出辅助试验波的其他波浪参数之后，要确保辅助试验波为弱非线性规则波。确定辅助试验波是否是弱非线性规则波的方法为：将选择的辅助试验波的波陡与试验波参照值保持一致，进而减少影响试验结果的变量个数，并且在图1中绘制()，保证各波浪均处于弱非线性规则波或者线性波范围内。
15.在得出辅助试验波的其他波浪参数之后，求解波浪水槽的纵向共振周期和横向共振周期，进一步确定辅助试验波的波浪周期。
16.所述求解波浪水槽的纵向共振周期和横向共振周期的方法：则采用采用公式进行计算。
17.所述进一步确定辅助试验波的波浪周期是指：将波浪周期与波浪水槽的纵向共振周期和横向共振周期进行比较，如果辅助试验波的波浪周期与波浪水槽的纵向共振周期或横向共振周期相同，则放弃该辅助试验波，或者对波浪水槽试验段进行处理以改变波浪水槽的纵向共振周期或横向共振周期。例如，若波浪水槽宽度过宽，则可通过放置隔板、调整隔板位置来改变波浪水槽的横向共振周期。
18.所述透射系数经验公式包括：固定方箱浮堤的透射系数经验公式 ： ；垂直导桩约束方箱浮堤波浪透射系数经验公式： ；锚链系泊约束的方箱浮式防波堤波浪透射系数经验公式：。
19.本发明所采用的透射系数经验公式，都是发明人经过大量实验研究获得的修正公式；相对于基本公式，采用该修正公式获得的参数更加准确。
20.所述cfd软件对模型防波堤进行第数值求解的方法及对求解结果的判断都是现有技术，此处不再赘述。
21.在用cfd软件对模型防波堤进行第一次数值求解的消浪效果理想的情况下，用cfd软件对新型防波堤进行第二次数值求解，以确定消浪效果是否理想；是，开始物理模型水槽断面实验；否，取消物理模型水槽断面实验。
22.本发明中，所述用公式如下：
固定方箱浮堤的透射系数经验公式 ：
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（8）垂直导桩约束方箱浮堤波浪透射系数经验公式：
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（9）垂直导桩约束方箱浮堤固有周期公式：
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（10）锚链系泊约束的方箱浮式防波堤波浪透射系数经验公式：
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（11）。
23.公式中的符号释义如表1所示。
24.表格1 符号与释义
本发明的有益效果是：本发明针对过渡水深海域的线性波和弱非线性规则波，提供一种确定浮式防波堤断面试验参数及选取波浪参数的方法，可以系统、快速、有效地指导研究人员进行水槽物理模型试验，避免水槽试验过程中资源和时间的浪费；因浮堤的纵向宽度和吃水对于浮堤透射系数是两个互相关联的影响因素，本发明避免了分开研究导致重要信息遗漏。
附图说明
25.图1是le mehaute提出的各种波浪理论的适用范围；图2是固定矩形防波堤示意图；图3是垂直导桩浮堤示意图；图4是锚链系泊浮堤示意图；图5是cfd软件求解固定浮堤与波浪互相作用示意图；图6是cfd软件求解垂直导桩浮堤与波浪互相作用示意图；图7是cfd软件求解固定锚链系泊浮堤与波浪互相作用示意图；图8是cfd软件求解固定方箱浮堤消浪效果图；图9是cfd软件求解固定方箱新型防波堤进行第二次数值求解示意图。
具体实施方式
26.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
27.本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明
了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
28.实施例1选择试验所需的波浪水槽，所选波浪水槽的长宽高分别为69米、2米、1.8米。取7级风浪，由蒲福风力等级表查得7级风浪时波高为5米。取南海五十年一遇波浪的波浪周期作为防波堤所要消解的目标波浪，物理模型试验的试验波参照值的波浪周期以该目标波浪的波浪周期作为参照；南海五十年一遇波浪的波浪周期为9.33秒；设定海底沉管施工所处海域水深为60米。因浮式建筑物模型的几何比尺不宜大于60，由所选择波浪水槽的试验条件限制试验波浪周期范围0.8秒-3.2秒，波高范围0.02米-0.3米。又根据波浪水槽的高度和实际海域的水深，将实物与物理模型的几何比尺（缩尺比）设计为40。依据流体力学中的froude数相似准则（见公式3、4），计算得出：物理模型试验所需波浪水槽的水深则为1.5米，试验波参照值的波浪周期为1.475秒，试验波参照值的波高为0.125米，试验波参照值的波长为3.3684米。由所选择波浪水槽试验波浪周期范围0.8秒-3.2秒，计算波长范围为0.9981-11.0572，h/l（波陡比）为0.135-1.5，h/l大于0.05。由专业知识可知，当水深与波长之比h/l大于0.05但小于0.5时，此水域为过渡水深。该周期范围均符合过渡水深的要求与实际海域情况（国内近海海域多为过渡水深）基本一致。
29.因浮式建筑物波浪模型试验中要求，建筑物模型与造波机的距离应大于6倍的平均波长，建筑物模型与试验水槽尾部消波器间的距离应大于2倍的平均波长。因此，试验波的波长最大为6.6967米，测得波长为6.6967米对应波浪周期为2.2秒，h/l为0.22；所以，2.2秒为波浪水槽能够产生的最大波浪周期，此时试验波的波浪周期可选择范围调整为0.8秒-2.2秒，剔除2.2秒-3.2秒区域范围，对应的波长为0.9982米-6.6967米。在0.8秒-.2秒范围内选择辅助试验波的波浪周期，并且使辅助试验波的波浪周期分布在试验波参照值的波浪周期周围。保持波陡值固定不变（采用试验波参照值的波陡值），取值为0.037（），将选择的辅助试验波的波陡与试验波参照值保持一致，从而确定每个波浪周期下的波高，进而确定其他波浪参数。将确定的辅助试验波和试验波参照值与图1进行比较，保证试验波均落在图1的弱非线性规则波范围内且与试验波参照值临近；最终获得如表2所示的试验波波浪参数。除去波浪水槽消波端和造波端长度，由公式8可得波浪水槽纵向共振周期为28.78秒，同时，由公式8可得波浪水槽横向共振周期为1秒。水槽横向共振周期与其中一辅助试验波的波浪周期重合。为了使得水槽横向共振周期避开助试验波的波浪周期，将水槽试验段在横向方向一分为二，一半水槽横向宽度变为0.6米，一半水槽横向宽度变为1.4米，水槽横向共振周期变为0.3秒，从而避开辅助试验波浪周期。
30.表2 试验波波浪参数
预设浮堤吃水部分占总波浪能比例为50%，根据公式9求得浮堤吃水高度d为0.18；此时浮堤可阻挡波浪能量的一半。为了防止越浪发生，将浮堤干舷高度设定为目标波高的1.2倍，即0.15米；由以上可求得浮堤高度z为0.33米。
31.依据固定方箱浮堤尺寸经验公式和水动力数值模拟软件相继求解。第一步，将参数浮堤吃水高度d等于0.18，代入公式8，令kt等于0.5,求得b等于0.447米。第二步，借用cfd（计算流体动力学）软件对已经确定的固定方箱浮堤进行数值模拟求解，对浮堤消波效果进行求证，示意图见图5、6、7，从数值求解结果中提取入射波高和透射波高，作图8。若透射波高与入射波高的比值在50%附近，则达到预期目标。若比值远大于50%，达到80%附近，则效果不甚理想，可根据实际情况小幅度调整浮堤纵向长度b和吃水高度d；若效果达到预期目标值。
32.保证外轮廓与方箱矩形浮堤一致的情况下设计新型防波堤，然后将新型防波堤导入cfd软件中进行第二次数值求解验证（见图9）。效果检验与第一次数值求解标准一致，若效果良好，再对新型防波堤进行模型制作。最后，进行物理模型水槽断面试验。
33.实施例2采用实施例1中确定的试验波的波浪参数（如表2所示），依据垂直导桩约束的方箱浮式防波堤尺寸经验公式和水动力数值模拟软件相继求解。第一步，将参数浮堤高度d等于0.18代入公式9，令kt等于0.5,求得b等于0.89米，由公式10求得垂直导桩约束浮堤固有周期为1.4秒，故试验时尽量避开浮堤垂荡运动固有周期。第二步，借用cfd（计算流体动力学）软件对尺寸已经确定的浮堤进行数值模拟求解，对浮堤消波效果进行逆向求证。若求得结果不甚理想，可根据实际情况小幅度调整浮堤纵向长度b和吃水d；若效果达到预期目标值，则确定浮堤最终外轮廓尺寸，示意图见图6。
34.保证外轮廓与方箱矩形浮堤一致的情况下设计新型防波堤，然后将新型防波堤导入cfd软件中进行第二次数值求解验证。若效果良好，再对新型防波堤进行模型制作。最后，进行物理模型水槽断面试验。
35.实施例3
采用实施例1中确定的试验波的波浪参数（如表2所示），依据锚链系泊约束的方箱浮式防波堤尺寸经验公式和水动力数值模拟软件相继求解。第一步，将d等于0.18米，z等于0.15米。取锚链为锰钢材质，密度为ρ为7.85kg/m3。为避免锚链过重引起不必要的吃水，建议参考表格3，若只知锚链原型参数，可根据公式5进行缩尺比换算。本案例取直径5毫米，锚链抗拉刚度r为1780n/m，链节宽度为16.4毫米的锚链，代入公式13，令kt等于0.5，求得b等于0.674米。第二步，借用cfd（计算流体动力学）软件对上述已经确定下的浮堤进行数值模拟求解，对浮堤消波效果进行逆向求证。由浮堤与线性波或者弱非线性规则波作用机理可知，锚链系泊浮堤对波浪表现出反射和辐射的性能，在整个浮堤系统与波浪共振的情况下浮堤会出现防浪失效的现象，且对锚链安全极其不利。若数值模拟过程中出现共振现象，则需避开此波浪周期。
36.更进一步，借用cfd（计算流体动力学）软件对上述确定下的浮堤进行数值第一次求解，对浮堤消波效果进行求证。若求得结果不甚理想，可根据实际情况小幅度调整浮堤纵向长度b和吃水d；若效果达到预期目标值，则确定浮堤最终外轮廓尺寸，示意图见图7。
37.保证外轮廓与方箱矩形浮堤一致的情况下设计新型防波堤，然后将新型防波堤导入cfd软件中进行第二次数值求解验证。若效果良好，再对新型防波堤进行模型制作。最后，进行物理模型水槽断面试验。
38.表3锚链刚度与锚链直径对应表锚链刚度（kn/m）锚链直径（mm）1.7857.29814.241018.61331.61648.71976.825上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。