多向不规则波作用下群桩水动力特性的研究

Cylinder group is a commonly used structure in coastal and ocean engineering. Wave fore is its main load. The group effect is a major problem in the calculation of the wave forces. However, the regulations and the associated research are mainly concentrated on cylinder groups with several cylinders at present. There are not systematic researches on the group effects for the complex cylinder groups with more cylinders. At the same time, only the unidirectional waves are used at the present studies. But real waves are multidirectional waves. The wave directionality has an important effect on the wave forces on cylinder groups. Therefore, in the applied project, the numerical model will be established by solving the N-S equations. The multi-directional irregular wave interaction with cylinder groups will be systematically investigated using numerical simulation and physical model tests. The hydrodynamics and the mechanism for the multidirectional wave action.on cylinder group and the effects of the wave directionality on the wave forces on the total cylinder group and the wave forces on a single cylinder in the group will be analyzed. Finally, the calculation method for the cylinder group effects under multidirectional waves will be obtained. This can give an important reference for real engineering design and associated regulation revision.

群桩结构是海岸及海洋工程中最常见的结构形式，波浪荷载是群桩结构的主要荷载，其群桩效应是需要考虑的重要问题。然而目前工程设计规范及研究主要针对几根桩柱的简单群桩结构，对于由众多桩柱组成的复杂群桩的群桩效应问题缺少系统地研究。同时目前的研究主要集中为单向波，而实际的海洋波浪是多向的不规则波浪，波浪的方向分布对于波浪与群桩的作用具有重要的影响。因此本课题拟通过求解N-S 方程，建立可以模拟多向不规则波与群桩结构作用的精细数值计算模型，采用数值计算与物理模型试验相结合的研究方法，对于多向不规则波浪对复杂群桩结构的作用进行详细系统地研究，深入分析群桩结构内部复杂的水动力特征及波浪与群桩作用的机理，确定波浪的方向分布以及群桩布置方式等因素对于群桩结构整体、群桩内单桩波浪力等的影响，研究建立群桩结构在多向不规则波作用下的群桩效应计算方法，为工程设计以及相关规范的修订提供重要的依据。

群桩结构是海岸及海洋工程中最常见的结构形式，波浪荷载是群桩结构的主要荷载，但是由多桩柱组成的复杂群桩的群桩效应问题缺少系统地研究。同时目前关于波浪对于群桩作用的研究主要集中为单向波，而实际的海洋波浪是多向的不规则波浪，波浪的方向分布对于波浪与群桩的作用具有重要的影响，因此开展多向波浪对于群桩结构作用的研究，具有很好的应用价值。项目首先对多向不规则波对于9桩串列、9桩并列、8桩双排布置以及9桩方形阵列布置等群桩结构的作用进行了实验研究，发现波浪参数和桩柱相对尺度对于群桩系数具有较大影响，从而提出可综合考虑二者影响的参数KCLD1/3数，并给出了多向不规则波作用下由多桩组成的复杂群桩结构的群桩系数随KCLD1/3数、相对间距和方向分布的变化规律，结合Morison公式，可以计算多向不规则波作用下群桩结构的波浪力。同时对于群桩桩柱所受波浪力的概率分布以及频域特性进行了分析，桩柱所受波浪力的概率分布可以采用威布尔分布来拟合，给出了威布尔分布特征参数随KCLD1/3数、相对间距和方向分布的变化。分析了多向不规则波作用下群桩相位差的影响；基于势流理论模型OceanWave3D和OpenFOAM模型建立了耦合数值计算模型，同时采用L-型造波边界，建立求解多向非线性波浪传播的数值水池并建立了基于二阶造波理论的数值水槽,数值水槽和水池可以用于单向和多向不规则波对于群桩作用的模拟研究；基于数值模拟计算，研究了单桩、并列群桩和双排并列群桩等所受波浪力的机理。基于群桩结构周围的压力场和涡量场的分布特征，解释了两侧桩与内部桩受力不一致的原因。本课题已发表相关论文20篇，其中SCI收录6篇，EI收录8篇。培养3名具有自主创新能力的博士研究生和10名硕士研究生。