内含消能板的双圆筒型防波堤阵列绕射水动力评估方法与流程

本发明属于海洋工程，特别是一种内含消能板的双圆筒型防波堤阵列绕射水动力评估方法。

背景技术：

1、为了满足实际工程需求，双圆筒型防波堤内含消能板的设计在大多数情况下采用阵列型式进行连续布置，以确保形成对受保护海域的全面掩护。相较于孤立柱结构，阵列结构在面对波浪和水动力的作用时引入了更为复杂的问题。孤立柱结构通常采用的绕射水动力评估方法不再适用于阵列结构。理论分析表明，当阵列结构受到入射波的作用时，每个圆柱体都会产生绕射波。这些绕射波将不仅直接影响所在圆柱体，还将作为入射波引发相邻圆柱的波浪绕射。这种相互作用导致了阵列结构水动力问题的复杂性，超越了传统的孤立柱水动力评估方法。在计算流场速度势时，必须综合考虑每个柱体对入射波场的绕射以及来自其他所有柱体的多次绕射。这涉及到更为复杂和全面的解析分析和模拟，以确保准确捕捉阵列结构在波浪作用下的动态响应。

2、实际工程中，采用单柱结构绕射水动力评估方法对阵列内的某一圆柱单元进行分析可能导致严重低估激振力和波浪爬升。以前的研究结果表明，在特定条件下，阵列结构中某一柱水平激振力甚至可能达到孤立柱水平激振力的数倍，同时阵列内某一柱的自由面高程也可能远超入射波波高的倍数。例如，根据evans和porter(1999)的研究结果，对于不开孔的均布四柱结构，某一柱水平激振力可以达到孤立柱水平激振力的3.61倍，同时阵列内某一柱的自由面高程达到入射波波高的3倍。因此，入射波作用下双圆筒型防波堤阵列内部的相互作用不可忽视，必须研发一种新的分析方法。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种解决传传统方法基于孤立柱体的评估，无法有效考虑阵列结构中相邻柱体的相互作用效应和波浪传播的复杂性的问题的内含消能板的内含消能板的双圆筒型防波堤阵列绕射水动力评估方法。

2、本发明是这样实现的，一种内含消能板的双圆筒型防波堤阵列绕射水动力评估方法，其特征在于包括以下步骤：

3、s1.建立坐标系：

4、以同心圆柱结构中心和静水面的交点为原点，建立n个柱坐标系okrkθkzk(k＝1,2,3,...,n)和n个笛卡尔坐标系okxkykzk(k＝1,2,3,...,n)，其中z轴垂直向上；

5、s2.划分流域，将整个流场划分为外域和内域：

6、将整个流场划分为1个外域ω0(a2＜rk,0≤θk≤2π,-h≤zk≤0)和n个内域ωk(a1＜rk≤a2,0≤θk≤2π,-h≤zk≤0)；

7、其中，h表示水深，a1表示内圆柱半径，a2表示外圆筒半径；

8、s3.开孔边界条件假定：

9、其中，设定环形消能板的开孔边界条件表达式：

10、

11、设定多孔外圆筒的开孔边界条件表达式：

12、

13、上式中，

14、φkd表示第k个流域的绕射速度势函数，其中，k＝0代表外域；

15、i表示虚数单位；

16、公式(1)中的上角标+和-分别表示环形消能板的上表面和下表面；

17、公式(2)中的上角标+和-分别表示外圆筒的外表面和内表面；

18、σq表示多孔效应参数；

19、dq表示环形消能板的淹没深度；

20、σq和dq的下角标q＝1表示自上至下第一个环形消能板，q＝2表示自上至下第二个环形消能板，q＝3表示外圆柱；

21、s4.通过以下公式确定内域和外域的绕射速度势：

22、圆柱阵列在第k柱附近的外域绕射速度势φ0d(rk,θk,zk)的表达式为：

23、

24、其中，

25、φik(rk,θk,zk)表示第k柱附近的入射速度势函数；

26、φdp(rp,θp,zp)表示第p柱附近的外域绕射速度势函数；

27、第k柱附近的入射速度势函数φik(rk,θk,zk)表示为：

28、

29、上式中，

30、i表示虚数单位；

31、ωd表示入射波圆频率；

32、ik＝exp[i(xk cosβ+yk sinβ)]为第k柱的相位矢量；

33、jm表示第一类m阶贝塞尔函数；

34、第p柱附近的外域绕射速度势函数φdp(rp,θp,zp)表示为：

35、

36、其中，表示未知系数；

37、rm(kndrp)为径向特征函数；

38、zn(zp)为垂向特征函数；

39、径向特征函数rm(kndrp)和垂向特征函数zn(zp)分别为：

40、

41、

42、以上两式中，

43、hm表示第一类m阶汉开尔函数；

44、km表示第二类修正的m阶贝塞尔函数；

45、k0d和knd(n＝1,2,3,...)为以下色散关系的正实根：

46、

47、等式(7)中，将所有柱的绕射速度势转化到第k个柱坐标系下为：

48、

49、公式(11)中的表示为：

50、

51、同心圆柱阵列第k(k＝1,2,...,n)个内域绕射速度势φkd满足以下控制方程和边界条件：

52、

53、满足式(1)和式(13)的绕射速度势φkd表示为：

54、

55、式中，

56、为未知系数；

57、um(κldrk)为内域径向特征函数，器表达式为：

58、

59、内域垂向特征函数的表达式为：

60、  （16）

61、

62、上式中，

63、d(κldz)＝νdcosh(vldz)-κldsinh(κldz)；

64、jm′和hm′分别表示第一类m阶贝塞尔函数和汉开尔函数的一阶导数；

65、pl和ql是未知系数；

66、将公式(14)代入到公式(1)中第二个等式得到：

67、

68、通过上述线性方程组得到以下“色散-耗散”关系：

69、

70、得到特征根κld；

71、s5.建立內域和外域绕射速度势线性方程组：

72、将等式(2)转化为内外两个流域的传输条件：

73、

74、将等式(11)和等式(14)代入以上传输条件，得到下述线性方程组：

75、

76、通过求解上述线性方程组得到未知系数和确定內域和外域绕射速度势；

77、s6.推导水动力表达式：

78、第k个内柱和外柱在j方向的水平激振力分别通过积分rk＝a1和rk＝a2处湿表面积分差来获得：

79、

80、

81、以上两式中，

82、i表示虚数单位；

83、ωd表示入射波圆频率；

84、ρ表示流体密度；

85、

86、ski和sko分别表示第k个内柱和外柱；

87、和分别表示第k个内柱在x方向和y方向的水平激振力；

88、表示第k个内柱的水平激振力合力；

89、和分别表示第k个外柱在x方向和y方向的水平激振力；

90、表示第k个外柱的水平激振力合力；

91、第k个上下环板垂向激振力通过下式求得：

92、

93、

94、以上两式中，

95、sku和skd分别表示第k个上环板和下环板；

96、和分别表示第k个上环板和下环板在z方向的垂向激振力。

97、本实施例中，优选的，自由面高程η通过线性伯努利方程求得：

98、

99、上式中，i表示虚数单位；

100、ωd表示入射波圆频率；

101、g表示重力加速度；

102、φkd表示第k个流域的绕射速度势函数，其中k＝0表示外域，k＝1,2,3,...,n表示n个圆柱的内域。

103、本发明的优点和效果：

104、1、全面考虑相互作用效应：该方法通过考虑阵列结构中相邻柱体之间的相互作用效应，使得水动力评估更加全面。相较于传统方法，新方法能够更准确地捕捉阵列内各个圆柱体对彼此的影响，提高了评估的真实性。

105、2、处理复杂波浪传播：新方法能够有效处理阵列结构中波浪传播的复杂性，包括入射波与每个柱体之间的多次绕射过程。这一特性使得评估更为细致，有助于揭示阵列在不同波浪条件下的水动力行为。

106、3、提高工程设计准确性：通过综合考虑阵列结构中各种相互作用效应，有望显著提高防波堤设计的准确性。这对于满足实际工程需求，确保防波堤结构能够提供全面的海岸保护具有重要意义。

107、4、优化阵列结构性能：通过更精确的水动力评估，新方法有助于优化阵列结构的设计，从而提高其性能。这可能包括调整柱体间距、消能板的设计等，以最大程度地提升防波堤的防浪效果。

108、5、推动海岸保护技术进步：本发明为解决阵列结构水动力问题提供了一种先进的技术手段，有望推动海岸保护技术的进步。通过提高防波堤设计的水动力评估方法，可为未来海岸工程提供更可靠的技术支持。

109、6、增强结构的适应性：该方法的创新性使得阵列结构更具适应性，能够应对不同波浪条件下的变化。这有助于提高防波堤的鲁棒性，使其在各种海洋环境中表现更为出色。

110、总体而言，本发明提出的内含消能板的双圆筒型防波堤阵列绕射水动力评估方法可以有效解决现有技术问题，具有广泛的应用前景。