水波与淹没圆盘相互作用的实验研究

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在近海海啸波水池中进行了孤立波与规则波作用下淹没圆盘的水动力模型实验。针对直径为1.2m、厚度为0.1m的有机玻璃圆盘模型,建立了一套内置式多分量波浪力同步测量系统,可以在不影响波面测量的情况下获得作用于圆盘的水平力、垂向力和倾覆力矩。进行了圆盘在不同水深、不同淹没深度以及不同波高条件下与规则波和孤立波相互作用的物理实验,得到了圆盘所受波浪载荷的时间序列以及圆盘周围多点波面的时间序列,同时分析了圆盘所受的无量纲波浪载荷随相对波高的变化关系。在孤立波作用下,依据垂向力、水平力和倾覆力矩的极值特征,可以将完全淹没条件下圆盘波浪载荷的变化过程分为五个典型阶段:孤立波作用早期上抬力形成并达到首个峰值;波峰接近圆盘中心时形成顺波向水平力的极值;波峰离开圆盘中心时逆波向的水平力达到极值并且向下垂向力从极值点逐步恢复到上抬力;波峰在离开圆盘边缘的过程中上抬力达到第二个极值点;波峰进一步远离圆盘时水动力载荷均恢复到零。圆盘所受的垂向波浪载荷与淹没深度关系密切,完全淹没时,圆盘受到的向上的垂向力有两个极值,而向下的垂向力只有一个极值且其绝对值大于上抬力的最大值;当在圆盘上表面位于未扰水面处时(临界淹没条件),向上的垂向力只有一个极值,其原因是在孤立波离开圆盘的过程中波面局部下凹导致部分浮力损失,抑制了上抬力的发展,并且此上抬力的峰值大于向下垂向力的绝对值;当圆盘处于部分淹没状态时,波面抬升过程中浮力增大,使得上抬力的峰值显著增大。相对淹没深度、相对波高均对无量纲波浪载荷有影响。当淹没深度较小时,由于孤立波在圆盘上方发生破碎,使得无量纲波浪载荷的变化规律更为复杂。在规则波作用下,圆盘直径与波长之比(相对直径)在0.31至0.67之间,淹没圆盘模型受到的波浪载荷变化过程具有明显的周期性。在完全淹没条件下,垂向波浪力和水平波浪力的时间过程线呈较好的周期性,峰、谷基本对称,前者的相位略超前;力矩时间过程线的峰、谷明显不对称,抬头力矩(正值)的时间历程明显大于低头历程的时间历程。对临界淹没状态而言,在一个波周期内,垂向力峰值小于谷值,即垂向力基本上均向下;垂向力与水平力基本同相位;抬头力矩(正值)的时间历程却小于低头力矩的时间历程;导致上抬力显著减小的原因是部分圆盘露出水面,部分浮力损失所致。在不完全淹没条件下,在规则中圆盘的水线变化导致在波峰影响阶段圆盘受到的浮力作用增大,使得上抬力有所增加,但是仍小于向下波浪力的极值;抬头力矩(正值)的时间历程也小于低头力矩的时间历程。总体上讲,在给定波周期和水深的条件下,无量纲波浪力与力矩均随波高的增加而减小,其主要原因是波高增大时圆盘附近波浪破碎加剧进而导致能量损失。
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