[發明專利]一種圓環柱形防波結構及其數值計算方法

有效

• 申請號: 201910278827.1
• 申請日: 2019-04-09
• 公開（公告）號: CN109972587B
• 公開（公告）日: 2020-08-25
• 發明（設計）人: 劉俊;臧全勝;林皋;葉文斌
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: E02B3/06
• 分類號: E02B3/06
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

1.一種圓環柱形防波結構的受力計算方法，其特征在于，所述的圓環柱形防波結構包括圓環柱形結構、內部結構物(4)，其中圓環柱形結構包括內側鋼筋格柵(1)、多孔石料填充層(2)、外側鋼筋格柵(3)；所述的多孔石料填充層(2)由圓環柱形結構的內側鋼筋格柵(1)、外側鋼筋格柵(3)夾持固定，內側鋼筋格柵(1)、外側鋼筋格柵(3)任意水平截面同心；所述多孔石料填充層的空隙率和線性阻力系數均勻；所述的內側鋼筋格柵(1)、外側鋼筋格柵(3)底部與海底(6)固定連接，圓環柱形結構頂部高程大于海平面(5)高程；

所述的計算方法，包括以下步驟：

設外側鋼筋格柵半徑為b，內部結構物半徑為a，內側鋼筋格柵半徑為c，多孔石料填充層空隙率為ε，線性阻力系數為f；海水深度為H；防波結構和內部結構物底端與海底固定連接；計算過程中，還將用到以下參數：液體密度ρ，重力加速度g；

第一步，將整個流域劃分為三個計算子域，即內側鋼筋格柵(1)和內部結構物(4)壁面所包圍的區域Ω_Ι，內側鋼筋格柵(1)和外側鋼筋格柵(3)所包圍的區域Ω_ΙΙ，外側鋼筋格柵(3)以外的無限域Ω_ΙΙΙ；

第二步，對于無旋無粘的理想流體，每個子域中流體的速度勢函數Φ(x,y,z,t)，可采用分離變量法分解為：

上式中ω為角頻率，k為波數，i為虛數單位，滿足三維Laplace方程化簡后得到二維Helmholtz方程：

設在邊界上的法向導數為表示法向波速，采用變分原理并引入比例邊界有限元SBFEM坐標系，得SBFEM基本方程及內、外邊界條件表達式：

式中，ζ＝k₀bξ，s，ξ分別為比例邊界有限元坐標中的環向坐標和徑向坐標，ξ₀為相似中心處的徑向坐標，ξ₁為邊界上的徑向坐標，N為拉格朗日插值形函數，E₀、E₂、F_s為系數矩陣；

第三步，引入邊界條件求解上述比例邊界有限元控制方程，設和分別表示域Ω_Ι，Ω_ΙΙ和Ω_ΙΙΙ中的速度勢，且各個子域之間應滿足耦合邊界條件：

在內部結構物壁面上，滿足：

在內側鋼筋格柵界面處滿足

其中，λ為慣性系數；

在外側鋼筋格柵界面處應滿足：

另外，還需要滿足無窮遠處的Sommerfeld邊界條件：

其中，和為速度勢的法向導數，r為節點與比例中心之間的距離；

第四步，求出后，即可求出總場速度勢Φ_,t，液體速度、波面高度和動態壓力分別由以下表達式確定：p＝-ρΦ_,t；結構域所受總力按下式計算：其中括號內第一～三項分別為內部結構物、內側鋼筋格柵填充內壁處、外側鋼筋格柵填充外壁結構單位長度上受到的橫向力。