波浪力及波浪力矩計算

黃 偉， 于 瀟

(1.山東港通工程管理咨詢有限公司，山東 煙臺 264000；2.威海市建筑工程服務(wù)中心，山東 威海 264299)

1 軟件簡介

Flow 3D是一款高精確度的計算流體動力軟件，利用其獨有的TruVOF技術(shù)，能夠準確地追蹤自由液面的變化情況(如水波、水躍等)。利用多區(qū)塊網(wǎng)格功能，F(xiàn)low 3D能夠有效地建立網(wǎng)格，即使外形非常復(fù)雜的大型模型，也能夠配合不同的精度設(shè)定，以適當?shù)木W(wǎng)格數(shù)量描述復(fù)雜的外形特征。Flow 3D波浪產(chǎn)生器模型是以傅里葉級數(shù)為基礎(chǔ)延伸發(fā)展到所有周期非線性波。Flow 3D在海岸工程中的應(yīng)用包括沿海波、碎波、波堤繞射、防波堤、海潮等。

2 設(shè)計條件

設(shè)計條件見表1。碼頭結(jié)構(gòu)斷面如圖1所示。

表1 設(shè)計條件

圖1 碼頭結(jié)構(gòu)斷面

3 計算結(jié)果

3.1 極端高水位

極端高水位時，模擬受力情況如圖2所示，受力隨高程的變化情況如圖3所示。

圖2 模擬受力圖

圖3 受力隨高程變化曲線

極端高水位時，各指標的算例數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比結(jié)果見表2～表5。

表2 各高程位置處波浪力結(jié)果對比

表3 波浪力合力計算結(jié)果

表4 力臂計算結(jié)果

表5 力矩計算結(jié)果

極端高水位時，波壓力分布如圖4所示。

圖4 極端高水位時設(shè)計高水位時波壓力算例值和模擬值對比圖

從圖4中可以看出，模擬值與算例值趨勢基本一致，靜水面以上二者基本重合，靜水面以下，模擬值要小于算例值。初步分析，人工計算時，未考慮(或者考慮有限幾個點)波浪力沿結(jié)構(gòu)深度的變化，各受力節(jié)點直接采用線性方式連接，這就形成了一定的誤差。

3.2 設(shè)計高水位

設(shè)計高水位時，模擬受力情況如圖5所示，受力隨高程的變化情況如圖6所示。

圖5 模擬受力圖

圖6 受力隨高程變化曲線

設(shè)計高水位時，各指標的算例數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比結(jié)果見表6～表9。

表6 各高程位置處波浪力結(jié)果對比

表7 水平力合力計算結(jié)果

表8 力臂計算結(jié)果

表9 力矩計算結(jié)果

設(shè)計高水位時，波壓力分布如圖7所示。

圖7 設(shè)計高水位時波壓力算例值和模擬值對比圖

從上圖中可以看出：模擬值與算例值趨勢基本一致，靜水面以上二者基本重合，靜水面以下，模擬值要小于算例值。初步分析，人工計算時，未考慮(或者考慮有限幾個點)波浪力沿結(jié)構(gòu)深度的變化，各受力節(jié)點直接采用線性方式連接。

4 結(jié) 語

最初，波浪力計算是根據(jù)公式進行手算的，之后通過將公式植入計算機進行自動計算，本次計算采用數(shù)值模擬軟件進行三維計算，利用軟件生成波浪然后與結(jié)構(gòu)物進行作用，得到受力曲線，分析受力曲線得到最終結(jié)果，由于計算原理與傳統(tǒng)公式有一定差別，而且計算的準確性還需要通過大量的項目進行驗證，因此目前階段暫且只作為一種校驗的方法。

利用Flow 3D軟件計算波浪力的優(yōu)點在于能夠輸出各點的壓力強度隨時間變化曲線等一系列的曲線，可以計算波峰和波谷對結(jié)構(gòu)物的作用力，通過劃分受力區(qū)域直觀展現(xiàn)結(jié)構(gòu)物的受力情況。