不规则波作用下的港域波浪条件试验研究(4)
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【摘要】试验波浪采用单向和多向不规则波,多向不规则波方向谱函数S(f,β)可以表示为频谱S(f)和方向分布函数G(f,β)的乘积: 式中:f、β分别为频率、角度参量;
试验波浪采用单向和多向不规则波,多向不规则波方向谱函数S(f,β)可以表示为频谱S(f)和方向分布函数G(f,β)的乘积:
式中:f、β分别为频率、角度参量;A为方向分布函数系数;n为方向分布参数,n越小代表波浪能量的方向分布宽度就越宽,波浪多向性越强;θ为随机波浪的方向;θ0为入射波浪的主方向。本次试验n取4,对应的方向分布角度为19°,即max=19°。试验中频率谱均为标准JONSWAP谱,谱峰升高因子γ=3.3。
本次试验波高均为JONSWAP谱的零阶矩波高Hm0,计算方法如下:
式中:f0、f1分别为JONSWAP谱频率的下、上限值。
为了消除偶然性,每组试验采集波高数据2次,取其平均值作为试验结果,统计后发现2遍波高均相差不大。模型布置见图1,图中各点为波高仪测点位置。模型中共布置测点47个,C1~C6为航道区域测点;S1为波浪率定的控制点,该点波要素作为计算港内比波高的计算点;S2~S6为东段防波堤后测点;W1~W3为西段防波堤后测点;T1~T5为回旋水域及港域中心测点;B1~B27为垂直于码头布置的9排测点。为更好地分析试验,本次试验中防波堤内均插有不透水板,故不考虑堤内透射。本文主要是研究单向、多向不规则波对港内波高分布的影响,基于现在国际上习惯于将港内波高分布试验的比波高定义为扰动系数,下文中港域内测点波高与原始外海(S1)波高的比值也用扰动系数表示。
图1模型布置
1.2波浪要素
港口波浪扰动试验一般采用口门处的设计波要素(原始波要素)作为计算港内各点比波高的依据,通常由深水波浪推算得到,应是原地形时口门处的波浪。本次试验采用的波浪要素为丹麦DHI公司通过其自主开发的Mike 21 SW模块计算得到。表1为本次试验的波浪要素表,其中165°N、175°N指的是海图方位角,正北方定义为0°N,正东方定义为90°N,正南方定义为180°N,正西方定义为270°N。两波向与正北方向(0°N)的夹角分别为15°、5°。
表1试验波浪要素波型组次水位∕mHmo∕mTp∕s主波向∕(°)10.91.°N20.91.°N多向不规则波30.91.°N40.91.°N50.91.°N60.91.°N70.91.°N单向不规则波80.91.°N90.91.°°°N
2港域波浪扰动系数分布特点
本节主要研究的是港域各区域扰动系数在单向不规则波和多向不规则波下的分布规律,试验波浪要素为表1中所示。由于本次试验所取比尺较小,波高较小,因此航道的折射作用相对较小,港域波高影响因素较大的主要为波浪反射和绕射。
2.1航道区域
图2为不同航道区域的波浪扰动系数。当波向为165°时,Tp同为15 s和18 s的不规则波,多向波的扰动系数明显大于单向波的扰动系数;当波向为175°时,多向波与单向波的扰动系数则没有明显的关系。这是由于测点C1~C5位于堤头附近的航道区域,此处波浪既受外海波浪绕射的影响,也受到模型右上角老防波堤的影响。对于波向为165°的波浪而言,其波向与老防波堤轴线所夹的锐角的角度较小,老防波堤的反射波浪对航道区域的测点波高影响也较小。此时航道区域的波浪以绕射作用为主,多向波的扰动系数大于单向波,说明多向波在防波堤的一定屏蔽区内的绕射性能较单向波较好,这与俞聿修得出的结论相同。这也说明在模型边界反射较弱的绕射占主导的模型中,用多向不规则波来模拟港内波况是偏安全的。
图2航道区域波浪扰动系数
相对于波向165°的波浪,波向为175°的波浪与老防波堤轴线所产生的锐角度较大,更倾向于垂直。因此,老防波堤的反射作用对航道区域的波浪影响也较大,航道区域的波浪绕射、反射作用均十分明显,波况复杂,也造成了多向波与单向波的绕射系数看不出明显的大小关系。
此外,对比图2a)、2b)可知:同一个主波向下的两种周期的波浪扰动系数无明显变化,说明航道区域波浪绕射对周期的敏感性稍差。
2.2防波堤后侧
图3为防波堤后侧波浪扰动系数。对于防波堤后侧测点S2~S6和W1~W3的扰动系数,除了个别测点外基本上呈现出单向波的扰动系数略大于多向波的规律。这一点与前文航道区域测点的规律相反,且与俞聿修的结论相反,原因是俞聿修所用的模型为没有模型边界、原有建筑物反射的以绕射占主导的物理模型,而本次试验模型结合了具体工程的港口平面布置模型,考虑到实际情况,在模型右上角布置有一道老防波堤以模拟实际情况。
图3防波堤后侧波浪扰动系数 文章来源:《反射疗法与康复医学》 网址: http://www.fslfykfyx.cn/qikandaodu/2021/0317/485.html