一种防共振防波堤设计方法

摘要

本发明公开了一种防共振防波堤设计方法，包括：确定直立墙式结构的布置轴线；获取计算域的输入参数；通过有限元八节点等参单元法对计算域进行离散；通过准‑Helmholtz方程波浪模型进行波浪场模拟，确定计算域频域变化下的反射波浪场；根据光栅方程，确定直立墙式结构正弦曲面的设计参数波数K与振幅A。通过FAT理论解拉普拉斯方程，并带入边界条件，推导出水深不变下包含波浪非线性的准‑Helmholtz方程，利用有限元法计算港池波浪场，将光栅原理与准‑Helmholtz方程波浪理论结合，设计防波堤直立墙断面结构形式，确定直立墙曲面尺寸，以衰减波浪传播过程和消散波浪传播，从而减少入射波传播至港池引发港湾共振。

权利要求

1.一种防共振防波堤设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、确定直立墙式结构的布置轴线；

S2、获取计算域的输入参数；

S3、通过有限元八节点等参单元法对计算域进行离散；

S4、通过准Helmholtz方程波浪模型进行波浪场模拟，确定计算域频域变化下的反射波浪场，具体包括：S41、选取(x，y，z)为笛卡尔坐标系，z＝0位于静水平面上且垂直向上为正方向，Φ(x,y,z,t)为三维波浪速度势函数，满足拉普拉斯方程和以下边界条件：Φtt+gΦz＝0,atz＝0    (1‑2)其中， 为水平梯度算子，且 h为水深，g为重力加速度；

对三维速度势函数进行变量分离，

Φ(x,y,z,t)＝f(q,Q)φ(x,y,t)+非传播模式，其中Q＝k(z+h)，q＝kh，f＝coshQ/coshq是特征函数，φ(x,y,t)为二维波浪速度势函数，Φ(x,y,z,t)为三维波浪速度势函数；

利用格林函数求解等水准下准‑Helmholtz方程：其中，参数m1、m2和P为kh的函数，三者二代表达式如下：其中，h为水深，g为重力加速度，k为波浪波数，σ＝tanh(q)，q＝kh即波浪波数和水深的乘积， 为波浪波数坡度的平方项， 为波浪波数的曲率项；

S42、将输入参数带入波浪场控制方程‑准Helmholtz方程，进行波浪场数值模拟，得出入射波到达直立墙的入射角θ；

S5、根据光栅方程，确定直立墙式结构正弦曲面的设计参数波数K与振幅A，具体包括：S51、将输入参数带入波浪场控制方程‑准Helmholtz方程，进行波浪场数值模拟，得出入射波到达直立墙时平均深度质点速度分量u与v，得出入射波与直立墙的夹角即入射角S52、将入射角θ及入射波波长λ带入光栅方程，确定正弦曲面直立波数：K＝2π/d

d由入射波波长确定，具体关系满足光栅方程：

2dsin(θ)＝λ

其中，d为正弦曲面直立墙的波长，θ为入射波的入射角；

S53、直立墙式结构正弦曲面的设计参数振幅A：当波浪入射角、入射波长λ与直立墙正弦曲面波长d确定后，正弦曲面的振幅A满足入射角不变。

2.根据权利要求1所述的一种防共振防波堤设计方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：根据建港地区海域海象、气象和地质条件的特点，利用自然条件，确定直立墙结构的布置轴线。

3.根据权利要求2所述的一种防共振防波堤设计方法，其特征在于，所述自然条件至少包括波浪、流、风、泥沙和地形地质。

4.根据权利要求1所述的一种防共振防波堤设计方法，其特征在于，所述输入参数包括建港区域以及港域附近区域的地形边界，以及水深数据、波浪数据、流数据和风数据。

5.根据权利要求1所述的一种防共振防波堤设计方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：S31、计算网单元总数、节点总数、节点坐标的相关数值；

S32、确定单元网格的四个角点以及四个节点的插值函数。

说明书

一种防共振防波堤设计方法

技术领域

[0001] 本发明涉及海岸工程技术领域，更具体的说是涉及一种防共振防波堤设计方法。

背景技术

[0002] 港湾振荡一直是海岸工程中受到极大关注的研究方向。港口是一个活动人员众多、生产和运输活动强度大的区域，港湾内通常停泊着许多大型船舶。港湾振荡轻则影响港口的装卸作业和正常运行，重则会对生命造成极大的威胁。而且港湾振荡现象在世界范围内广泛存在。

[0003] 港口共振是发生在封闭或半封闭水域的一种水波振荡现象。在海湾观测到的潮汐过程线中叠加了的小周期波动(也称为假潮)、港内水域的振荡，以及湖面受大气扰动后形成长时间的波动等现象，都是港湾振荡的体现。港湾振荡本是一种正常的水波振荡现象，但是当入射波与港池周期一样或非常接近时会引发共振，产生空间尺度相当可观的振荡幅度和周期性流场，最大振幅甚至可达到入射波高的数倍至数十倍。特别当振荡频率与船舶响应频率相近时，会导致船舶与岸壁的猛烈撞击，破坏力极强，严重时会影响港内水域平衡，危害港池内部船舶的安全作业和停靠，甚至导致船舶缆绳断裂，破坏码头结构。而且当港湾发生振荡后，一般需要很长时间才能彻底消散。

[0004] 关于港口共振的研究，近些年也一直在稳步发展，投入到这一领域中的学者越来越多。但是我国在此领域内的研究还处于初期阶段，不仅从事相关研究的专家少，而且手段相对单一。仅仅是通过采集实际港口的波浪资料，数据分析是否有港湾振荡现象的存在，并且在港口建设中也很少将港湾振荡考虑进去。只有真正弄清楚港湾振荡的产生机制，影响因素及其特点等才能从根源上解决问题。

[0005] 关于减弱港湾共振的三种思路，包括港池分割、打断或新增防波堤、增加消能边界设施等。第一种是改变港池形状，使得共振频率偏移，不与当地波况和船舶响应频率匹配。第二种是采取减弱长周期波动的措施，很难快速地消减长周期波动，只是在后期通过延长或者增加防波堤试图阻止能量进入港口，但实际上口门宽度变窄了之后，港内的能量也不易被排出，使得港内的能量越积越多。但同时，延长或者增加防波堤也不利于船舶进出港口的航行，影响港口的作业效率。第三种为前两种的结合，改变港池形状使共振峰平移到高频区域，再采取对高频区域更为有效的消除长周期振荡的措施。增加消能边界设置为在港口建成后的消能补足措施，实际上消能设施安装难度大，所受波浪力集中时容易损坏。

[0006] 因此，提供一种防共振防波堤的设计方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

[0007] 有鉴于此，本发明提供了一种防共振防波堤设计方法，通过FAT理论解拉普拉斯方程，并带入边界条件，推导出水深不变下包含波浪非线性的准‑Helmholtz方程，利用有限元法计算港池波浪场。规则波波峰线与等深线夹角的变化，与光波折射相似，也服从光栅原理，将光栅原理与准‑Helmholtz方程波浪理论结合，设计防波堤直立墙断面结构形式，确定直立墙曲面尺寸，以衰减波浪传播过程和消散波浪传播，从而减少入射波传播至港池引发港湾共振。

[0008] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

[0009] 一种防共振防波堤设计方法，包括以下步骤：

[0010] S1、确定直立墙式结构的布置轴线；

[0011] S2、获取计算域的输入参数；

[0012] S3、通过有限元八节点等参单元法对计算域进行离散；

[0013] S4、通过准Helmholtz方程波浪模型进行波浪场模拟，确定计算域频域变化下的反射波浪场；

[0014] S5、根据光栅方程，确定直立墙式结构正弦曲面的设计参数波数K与振幅A。

[0015] 优选的，所述步骤S1具体包括：根据建港地区海域海象、气象和地质条件的特点，利用自然条件，确定直立墙结构的布置轴线。

[0016] 优选的，所述自然条件至少包括波浪、流、风、泥沙和地形地质。

[0017] 优选的，所述输入参数包括建港区域以及港域附近区域的地形边界，以及水深数据、波浪数据、流数据和风数据。

[0018] 优选的，所述步骤S3具体包括：

[0019] S31、计算网单元总数、节点总数、节点坐标的相关数值；

[0020] S32、确定单元网格的四个角点以及四个节点的插值函数。

[0021] 优选的，所述步骤S4具体包括：

[0022] S41、选取(x，y，z)为笛卡尔坐标系，z＝0位于静水平面上且垂直向上为正方向，Φ(x,y,z,t)为三维波浪速度势函数，满足拉普拉斯方程和以下边界条件：

[0023]

[0024] Φtt+gΦz＝0,atz＝0  (1‑2)

[0025]

[0026] 其中，为水平梯度算子，且 h为水深，g为重力加速度；

[0027] 对三维速度势函数进行变量分离，

[0028] Φ(x,y,z,t)＝f(q,Q)φ(x,y,t)+非传播模式，

[0029] 其中Q＝k(z+h)，q＝kh，σ＝tanh(q)，f＝coshQ/coshq是特征函数，φ(x,y,t)为二维波浪速度势函数，Φ(x,y,z,t)为三维波浪速度势函数；

[0030] 利用格林函数求解等水准下准‑Helmholtz方程：

[0031]

[0032] 其中，参数m1、m2和P为kh的函数，三者二代表达式如下：

[0033]

[0034]

[0035] 其中，h为水深，g为重力加速度，k(x,y)为波浪波数，σ＝tanh(q)，q＝kh即波浪波数和水深的乘积， 为波浪波数坡度的平方项， 为波浪波数的曲率项；

[0036] S42、将输入参数带入波浪场控制方程‑准Helmholtz方程，进行波浪场数值模拟，得出入射波到达直立墙的入射角θ。

[0037] 优选的，所述步骤S5具体包括：

[0038] S51、将输入参数带入波浪场控制方程‑准Helmholtz方程，进行波浪场数值模拟，得出入射波到达直立墙时平均深度质点速度分量u与v，得出入射波与直立墙的夹角即入射角

[0039] S52、将入射角θ及入射波波长λ带入光栅方程，确定正弦曲面直立波数：

[0040] K＝2π/d

[0041] d由入射波波长确定，具体关系满足光栅方程：

[0042] 2d sin(θ)＝λ

[0043] 其中，d为正弦曲面直立墙的波长，θ为入射波的入射角；

[0044] S53、直立墙式结构正弦曲面的设计参数振幅A：当波浪入射角、入射波长λ与直立墙正弦曲面波长d确定后，正弦曲面的振幅A满足入射角不变。

[0045] 与现有技术相比，本发明公开提供了一种防共振防波堤设计方法，通过FAT理论解拉普拉斯方程，并带入边界条件，推导出水深不变下包含波浪非线性的准‑Helmholtz方程，利用有限元法计算港池波浪场。规则波波峰线与等深线夹角的变化，与光波折射相似，也服从光栅原理，将光栅原理与准‑Helmholtz方程波浪理论结合，设计防波堤直立墙断面结构形式，确定直立墙曲面尺寸，以衰减波浪传播过程和消散波浪传播，从而减少入射波传播至港池引发港湾共振。

附图说明

[0046] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

[0047] 图1附图为本发明提供的方法流程示意图。

[0048] 图2为本发明实施例提供的无正弦曲面直立堤消能效果示意图。

[0049] 图3为本发明实施例提供的正弦曲面直立堤消能效果示意图。

[0050] 图4为本发明实施例提供的防波堤结构示意图。

具体实施方式

[0051] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0052] 本发明实施例公开了一种防共振防波堤设计方法，包括以下步骤：

[0053] S1、确定直立墙式结构的布置轴线；

[0054] S2、获取计算域的输入参数；

[0055] S3、通过有限元八节点等参单元法对计算域进行离散；

[0056] S4、通过准Helmholtz方程波浪模型进行波浪场模拟，确定计算域频域变化下的反射波浪场；

[0057] S5、根据光栅方程，确定直立墙式结构正弦曲面的设计参数波数K与振幅A。

[0058] 为进一步优化上述技术方案，步骤S1具体包括：根据建港地区海域海象、气象和地质条件的特点，利用自然条件，确定直立墙结构的布置轴线。

[0059] 为进一步优化上述技术方案，自然条件至少包括波浪、流、风、泥沙和地形地质。

[0060] 为进一步优化上述技术方案，输入参数包括建港区域以及港域附近区域的地形边界，以及水深数据、波浪数据、流数据和风数据。

[0061] 为进一步优化上述技术方案，步骤S3具体包括：

[0062] S31、计算网单元总数、节点总数、节点坐标等相关数值；

[0063] S32、确定单元网格的四个角点以及四个节点的插值函数。

[0064] 为进一步优化上述技术方案，步骤S4具体包括：

[0065] S41、选取(x，y，z)为笛卡尔坐标系，z＝0位于静水平面上且垂直向上为正方向，Φ(x,y,z,t)为三维波浪速度势函数，满足拉普拉斯方程和以下边界条件：

[0066]

[0067] Φtt+gΦz＝0,atz＝0  (1‑2)

[0068]

[0069] 其中，为水平梯度算子，且 h为水深，g为重力加速度；

[0070] 对三维速度势函数进行变量分离，

[0071] Φ(x,y,z,t)＝f(q,Q)φ(x,y,t)+非传播模式，

[0072] 其中Q＝k(z+h)，q＝kh，σ＝tanh(q)，f＝coshQ/coshq是特征函数，φ(x,y,t)为二维波浪速度势函数，Φ(x,y,z,t)为三维波浪速度势函数；

[0073] 利用格林函数求解等水准下准‑Helmholtz方程：

[0074]

[0075] 其中，参数m1、m2和P为kh的函数，三者二代表达式如下：

[0076]

[0077]

[0078] 其中，h为水深，g为重力加速度，k(x,y)为波浪波数，σ＝tanh(q)，q＝kh即波浪波数和水深的乘积， 为波浪波数坡度的平方项， 为波浪波数的曲率项；

[0079] S42、将输入参数带入波浪场控制方程‑准Helmholtz方程，进行波浪场数值模拟，得出入射波到达直立墙的入射角θ。

[0080] 为进一步优化上述技术方案，步骤S5具体包括：

[0081] S51、将输入参数带入波浪场控制方程‑准Helmholtz方程，进行波浪场数值模拟，得出入射波到达直立墙时平均深度质点速度分量u与v，得出入射波与直立墙的夹角即入射角

[0082] S52、将入射角θ及入射波波长λ带入光栅方程，确定正弦曲面直立波数：

[0083] K＝2π/d

[0084] d由入射波波长确定，具体关系满足光栅方程：

[0085] 2d sin(θ)＝λ

[0086] 其中，d为正弦曲面直立墙的波长，θ为入射波的入射角；

[0087] S53、直立墙式结构正弦曲面的设计参数振幅A：当波浪入射角、入射波长λ与直立墙正弦曲面波长d确定后，正弦曲面的振幅A满足入射角不变。

[0088] 图4为一种防共振防波堤装置包括：直立墙的主体部分，一般包括：防波堤，阻隔港外波浪入侵的保护堤防；海堤，分隔港外与陆地，防止港外潮浪入侵的堤防；护岸，直立型或傾斜型防护工阻隔波浪侵蚀，供船泊靠上下人货的地方，与海岸平行者为平行码头、突堤码头等。以及消浪结构装置部分：与直立墙主体相连的正弦曲面立面结构；

[0089] 设计直立堤曲面形式为正弦曲面消浪设施，使入射波传播至此周期排列的直立墙是发生高衍射效率的色散，产生波能巨大消耗。所述的设计直立堤曲面形式是根据光栅方程，正弦型振幅光栅的衍射规律，选定正弦曲面为直立墙曲面布置形式；再根据正弦型振幅光栅的衍射规律，确定直立墙式结构正弦曲面的设计参数波数K，由入射波波长的确定，具体关系满足光栅方程。直立墙式结构正弦曲面的设计参数振幅A，由入射波到达正弦曲面直立堤的入射角试算确定。当波浪入射角、入射波长与正弦曲面波长确定后，正弦曲面的振幅A需满足入射角不变。但所述的设计直立堤曲面形式不仅限于正弦曲面形式，对于任意周期结构的曲面形式，都可以展开为傅里叶级数，将复杂的曲面形式分解成一系列单频曲面的合成，再利用光栅方程确定每个单频曲面形式的波数K与振幅A。

[0090] 为提高防波堤的消浪性能并减小结构受力，此直立墙曲面结构也可以为透空式结构，透空式结构的消浪效果更优于不透空结构；

[0091] 此正弦曲面结构才能使波浪发生高衍射效率的色散，从而产生能量消耗，达到消能的作用。而且对于任意周期结构的曲面形式，都将复杂的曲面形式分解成一系列单频信息的合成，再利用光栅方程确定每个单频曲面形式参数，与此同时正弦曲面透空结构不仅可以有效减小防波堤结构受力，还能够改善非透空结构的消浪效果，应用前景良好。

[0092] 本申请的有益效果包括：在直立堤墙设计时添加简单结构消浪装置，可解决长周期波入射港湾引起的港湾共振问题，避免因波浪共振导致港池设施损坏，造成经济损失。在已建直立墙的基础上进行简单形状改造，可解决在港口建设中未能解决的长周期波引起的港湾共振问题。直立墙结构设计简单，布置科学合理，直立堤稳定性好且防共振效果显著，可从根源上削减港口共振，达到保护港池设施的作用。

[0093] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

[0094] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。