极端波浪在圆柱结构涌高的试验研究

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圆柱结构是海洋建筑物中常出现的结构型式,波浪沿着柱体会产生涌高效应,对结构上部建筑构成一定威胁。特别是随着深水结构物的不断出现,深水中极端波浪在结构上产生的涌高具有较强的非线性,如何准确计算波浪涌高,合理设计结构高度,减小波浪涌高造成的影响是结构设计时关注的问题之一。本研究在实验室内,通过物理模型试验的方法,考虑不同波浪参数,分别模拟了规则波、不规则波和聚焦波与圆柱结构的作用,对圆柱结构周围波浪涌高进行了测量,重点分析了波陡、结构尺度等参数对波浪涌高的影响,并给出了涌高的经验计算公式。研究结果表明:(1)对于规则波、不规则波和聚焦波作用下圆柱周围波浪涌高的变化情况,均有相同规律,即实验所测得圆柱迎浪面处的涌高最大,波浪涌高先随角度的增大先减小,大概到135°附近变成最小值,然后随着角度增大而增大,与理论公式结果的变化趋势一致,但是理论结果会低估迎浪方向的涌高。(2)不同波浪参数(波陡、圆柱尺度、BFI值)对圆柱周围测得的涌高都有影响。对于圆柱迎浪方向α=0°处,不同波浪作用时圆柱的波浪涌高均随波陡以及圆柱尺度的增大而增大,其中不规则波作用时大涌高出现的概率会随BFI的增大而减小。(3)无论是大圆柱还是小圆柱,聚焦波作用在圆柱迎浪面上的涌高比规则波更大,最大可以达到2.05,说明极限波与圆柱作用涌高更明显。(4)在速度水头公式基础上,结合二阶波浪理论,考虑相对尺度ka的影响,提出的经验公式能够很好地计算规则波、不规则波和聚焦波与不同圆柱作用时的涌高。本文研究结果对圆柱结构上的波浪涌高提供了重要参考意义,有助深入理解实际深海中结构建筑物的波浪涌高,也可为海洋平台结构的建造提供支持。
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