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，能夠準確地追蹤自由液面的變化情況(如水波、水躍等)。利用多區塊網格功能，Flow 3D能夠有效地建立網格，即使外形非常復雜的大型模型，也能夠配合不同的精度設定，以適當的網格數量描述復雜的外形特征。Flow 3D波浪產生器模型是以傅里葉級數為基礎延伸發展到所有周期非線性波。Flow 3D在海岸工程中的應用包括沿海波、碎波、波堤繞射、防波堤、海潮等。

2 設計條件

設計條件見表1。碼頭結構斷面如圖1所示。

表1 設計條件

圖1 碼頭結構斷面

3 計算結果

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，各指標的算例數據與模擬數據對比結果見表2～表5。

表2 各高程位置處波浪力結果對比

表3 波浪力合力計算結果

表4 力臂計算結果

表5 力矩計算結果

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)波浪力沿結構深度的變化，各受力節點直接采用線性方式連接，這就形成了一定的誤差。

3.2 設計高水位

設計高水位時，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

設計高水位時，各指標的算例數據與模擬數據對比結果見表6～表9。

表6 各高程位置處波浪力結果對比

表7 水平力合力計算結果

表8 力臂計算結果

表9 力矩計算結果

設計高水位時，波壓力分布如圖7所示。

圖7 設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)波浪力沿結構深度的變化，各受力節點直接采用線性方式連接。

4 結 語

最初，波浪力計算是根據公式進行手算的，之后通過將公式植入計算機進行自動計算，本次計算采用數值模擬軟件進行三維計算，利用軟件生成波浪然后與結構物進行作用，得到受力曲線，分析受力曲線得到最終結果，由于計算原理與傳統公式有一定差別，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構物的作用力，通過劃分受力區域直觀展現結構物的受力情況。