非对称式防波堤波浪绕射解析解

摘要

外海波浪传播到近岸区域遇到防波堤时会发生绕射，波浪绕射是指波浪在传播过程中遇到障碍物如防波堤、岛屿或大型墩柱时，除可能在障碍物前发生波浪反射外，还将改变传播方向绕过障碍物向掩蔽区内继续传播的现象。防波堤作为最常见的消波设施，是阻止波浪能量传入港口的重要屏障，通过研究波浪在防波堤口门处发生的绕射问题能够更加清晰的认知由外海进入港内的波浪波高分布和传播方向，对港口的合理设计和安全运营有着重要意义。 本文基于Penney和Price推导的对称双堤波浪绕射解析解推导了非对称式防波堤波浪绕射解析解，利用已有的实验数据和数值模拟结果与理论解进行了相互验证，分析了防波堤非对称性对波浪绕射系数分布的影响。 本文使用叠加法推导了两种非对称式防波堤的波浪绕射解析解，分别是平行非对称式和夹角非对称式。接下来用已有的实验和数值模拟结果与本文解析解对比，并进行了数值模拟相互验证。对于平行非对称式防波堤绕射解的验证中，将其与Pos的数值模拟港内绕射系数分布图进行了对比，二者结果符合非常好，同时本文的绕射系数数值模拟结果在各个截面上与理论解也是相符的。在夹角非对称防波堤绕射解析解验证中，将Memos实验所得的绕射系数与本文理论解绕射系数分布进行了比较，整体上二者是相符合的，验证了本文理论解的正确性。 本文继续分析了防波堤的非对称性对港内波浪绕射系数分布的影响。通过比较表明，平行非对称布置防波堤中后移防波堤掩护区域内绕射系数衰减相对较慢，即防浪效果有所下降，沿口门向港内区域绕射系数有所增大，且随着两防波堤沿入射波方向距离增大，口门附近区域绕射系数也越大，口门附近的存在较大的波浪将会影响出入港口船只的航行，在防波堤遮掩区域绕射系数会出现先减小再增大，最后趋于对称防波堤条件下绕射系数的分布。对于夹角非对称式防波堤，旋转防波堤对其后方的掩护效果有所下降，该区域内绕射系数高于对称式布置防波堤，说明转角式防波堤对其后区域掩护效果欠佳。 最后，本文分析了长周期波浪入射非对称防波堤的绕射情形，通过比较解析解和数值解所得绕射系数等值线的分布，对比不同周期下各截面上绕射系数的变化，可知随着口门有效宽度与入射波长比值减小，解析解所计算的绕射系数误差增大。同时，根据数值解可知随着入射波的周期增大，防波堤防护效果有所下降，进入港内的波浪能量增加。

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