规则波或不规则波在浸深水平板作用下反射和传播的特点外文翻译资料

 2022-07-25 14:40:59

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规则波或不规则波在浸深水平板作用下反射和传播的特点

新加坡国立大学土木工程学系，10肯特岭新月，新加坡0511(新加坡)
(8月30日收到1988年；11月11日修订并接受，1988年)

摘要

Patarapanich, M. and Cheong, H.-F，1989年。规则波或不规则波在浸深水平板作用下反射和传播特性。海岸工程。13:161 - 182。

规则波或不规则波，在固定在水面以下一定浸深的水平薄板作用下的传播特性已被调查。实验结果与运用线性波衍射理论的数值有限元方法得出的理论解比较。浸深板实现波浪最低限度传播的的最佳条件，可以从结果推导。最佳板宽被发现约为在板与板的浸深间距中为0.5-0.7倍的波长，且保持在0.05-0.15左右诱导波破损是能量的主要耗散原因。

引言

浸深水平板作为防波堤的可能用途是用理论方法或模型研究以广泛地调查。然而，由于实验室设施的限制，大多数现有的实验结果只覆盖了窄范围的波浪条件和数据，过于分散而找不到确凿明确的趋势。另一方面，所有分析的解决方案都是基于线性波理论，波幅被认为影响小，能量损失是被忽视的。虽然使用这个概念作防波堤的结果展示了一个令人鼓舞的前景，但设计出的结构数据还不实用。本文的主要目的是结合理论解与一些实验结果，以获得浸深水平板最小波浪传播的最优条件。这项研究限定于接近标准的规则波和不规则波在二维条件下，作用于固定在一定的浸水深度中的薄板。该板被认为在无限长的方向上平行于波峰（见图1）。

图 1 浸深水平板定义图

符号列表

a 波幅

B 板宽

C 规则波的波高系数

不规则波的波高系数

d 水深

d#39; 板的浸深

f 波浪频率

g 重力加速度

H 波高

k 波数

L 波长

L#39; 浸深水平板上方波长

S(f) 波谱密度

t 时间

x 距离

Phi; 波相位滞后

eta; MSL上自由表面的海拔

sigma; 波角频率

下标：

i 入射波

r 反射波

t 透射波

L 能量损失

s 显著价值，平均最高的三分之一

理论解

刚体的波散射问题是数学上的一个边值问题，各种解析或数值方法都可以解决。深水浸深水平板的波散射被伯克使用维纳-霍普夫技术求解（1964年）。萧和赫尔利已利用匹配渐近展开法获得一种在浅层水的限制条件下实用的长波近似解决方案（1977年）。完整的数字解决方案的波的反射和透射波力提出了Patarapanich(1984 b)对整个范围从深水到浅水条件限制使用有限元方法。重要的变量控制的反射系数（Cr = Hr/H）和传播系数（Ct = Ht / H）是水深d，波长L（或L#39;）和板的物理参数，如宽度 B和浸深 d#39;。H，Hr和Ht是入射，反射和透射浪高。量纲分析导致无量纲形式的函数关系：

图 2 d/L=0.1时浸深板反射波的理论解

图 3 d#39;/d = 0.3时浸深板反射波的理论解

图2所示的理论结果表明，对于一个特定的相对深度比，d/L，反射系数，Cr，板宽与波长之比交替增加，B/L#39;增加到一个最大值，然后减小归零。不同浸深深度比的反射曲线，d#39;/d，遵循相同的趋势，但浸深增加时Cr相应值变小。在Cr比率是最大值或零时，B/L#39;之比在不同d#39;/d之比下保持不变。反射波变化中的有趣特点被Patarapanich（1984a）解释为通过检查周围各个区域通过浸深板的平均波能中的流量。

在图3中，可以观察到，对于一个特定的d#39;/d之比，波反射系数随着d/L之比的变小而增大。相对深度减少时，反射系数在最大值和零时的位置也转移到B/L#39;之比处于较大值时。最佳的B/L#39;之比在0.5和0.7之间，由d/L之比决定。

现有的模型研究

应该强调，前面的理论解决方案是基于线性波理论，假定波幅小且忽略能量损失。在模型研究中，波陡必须加入其中作为另一个重要参数。损失系数CL是从能量守恒的条件，给出一些能量耗散的指示，即：

方程1中的函数关系成为：

最初由迪克(1968年)调查的浸深水平板波反射和透射特性的早期模型研究作为透水浸深式矩形sill-mound孔隙度为100%的极限情况。服部模型试验（1975年）包括水平板固定在静止水位（水面板）和淹没在四分之一或水深的一半（d#39;/d= 0.25 或 0.5），表现出较低的波传播和在小的浸深比反射的趋势。这些相当有限的结果导致的结论是，水面板比浸深板更有效的减少了波的传播。

达塔特里等人随后得出的实验结果（1977年）也表明波的传播随浸深减小而减弱，但当d#39;/d= 0.07时反射程度最大，而不是当板在水面时。最佳板宽度被发现约为0.3-0.4的入射波长。所有这些早期的模型试验进行了使用规则波。

试验研究

该模型的研究是在两个波浪水槽中进行的。规则波水槽尺寸为0.9times;0.9times;35米。波桨是由一个可变的从0.5-3赫兹的频率范围内的调速电机。桨冲程长度可以调整为250毫米的最大偏心。通过改变频率和行程长度，控制波周期和振幅覆盖范围的相对深度比（d/L）从0.2-0.3和波陡（H/L）可达0.075。

不规则波是通过在一个2米宽的DHI水泥水槽波发生器中产生。水槽是36米长，1.2米高。能够生成皮莫二氏波谱的随机信号，在一卷纸带穿孔，控制波桨运动。通过改变磁带读取速度和控制信号的放大系数，波峰和周期可以显着改变。

水平板的模型由12毫米厚的船用胶合板制成，跨越了水槽的全宽。它的浸深可以通过移动支撑钢框架或向下调整所需水平高度，然后将其夹紧在侧壁上。

记录波浪系统由电阻探头监测，然后连接到一个微型计算机。数据采集系统能够按顺序阅读最多32个通道，一次可运行最多8000个点被记录在软盘上。双波探头，间隔0.4米，位于从板向海的一面约4米距离。另一个在背风侧的探针用于测量透射波。分析过后，结果可以使用联机打印机和绘图仪打印或绘制。

在规则波水槽中的入射和反射波的高度取决于使用希利的方法在前面的板系统中得出的部分驻波的最大和最小高度。对于随机波，谱分解技术被用来分离在不同频率的入射和反射波分量。这个程序是由昌和香卡使用（1986年），是由戈达和苏祖基（1976年）对数据采样间隔的时间延迟做出解释而研发的一种修正方法。一个附录中描述了详细的推导过程。

有效波长分辨率的范围取决于双探头之间的间距。对于在这个实际使用间距为0.4米的实验中，频率范围从fmin = 0.05赫兹到fmax =1.4赫兹。在这个范围之外，波浪组件大多是可以忽略不计，但可能成为无限的频率。

在不规则波水槽中进行了一些初步的无板试验来检查所产生的波。一种采样率为0.12秒被使用，快速傅里叶变换（FFT）在波记录中应用以验证靠近PM波谱上的近似值。已作出了统计分析方法以建立显著的波高与平均波高值以及波谱以下面积之间的关系。进行一系列测试，波谱宽度改变范围从0.3到0.7。波高分布被认为是接近瑞利型。

不规则波系统的重要无量纲参数的定义依据显着的波高，Hs，和代表波浪记录中最高值三分之一的平均值。以gT2作为波长参数中的代表，其中T是在波频谱中峰值波的周期。方程3中的函数关系成为：

反射系数，Cr，平均的频率范围从fmin到fmax被定义为反射波对相应入射波波谱面积之比的平方根：

同样的传输系数，Ct，计算机断层，计算传播波频谱法St (f)和入射波频谱法Si (f)。

结果讨论

规则波

一个1米宽的板固定在浸深比为0.3，同时水深和波长保持恒定为0.3的相对深度比。通过波幅的变化来获得高达0.075的波陡，波陡范围包含了板上即有破碎波又有非破碎波的条件。已绘制出Cr，Ct和CL随入射波的陡度增加的变化函数图像。4a，b和c。

可以看出，波的反射，透射，CR，CT，随波陡增加而增加，表明较低的能量损失（减小CL）。当入射波波陡达到约0.034的临界值时，浸深板顶部的波浪开始破碎。破碎波能量损失明显增加，导致较低的波作为入射波波陡的现象进一步增加。然而反射状况继续小幅增长。

实验结果在其他的浸深比和相对深度比进行中显示出Cr，Ct和Ca随波陡变化相似的特点。但关键的陡度是依赖这些双无量纲参数。很明显，板上方的波浪趋向于更容易在浅水区被打破，即在小的相对深度和小的浸深比中。

在大多数情况下，波的反射趋势逐渐减少，而不是增加，以后涌来的波浪已达到破碎极限。但实际变化中Cr的幅度是相当小的，一般在0.1个最大的顺序。可以注意到的陡度在这种传播中是最小的同时，伴随而来的陡度在此状况下能量损失是最大的，而此时并未伴随着最大的反射。这表明，更大比例的波能由于打破了湍流而耗散，而非反映在朝海方向。

为了确定最佳的板宽，有三个系数的变化足以绘制板宽与波长之比B / Lrsquo;，它们是恒定的浸深比，drsquo;/ d，和相对深度比d / L。用有限元方法得出的相应曲线也显示在图5a，b之中直接比较。

Cr和Ct的结果在d#39;/d = 0.3时遵循相同的趋势，但略低于理论曲线。损失系数，CL，取值在0.4-0.6的区间中时约占三分之一的能量，它往往会略微增加B/L#39;之比。由于一些数据点是对于非破碎波，看来，破碎并不是唯一的能量损失原因。已观测到有一个平均循环流动，根据迪克（1968年）的报告类似于透水浸深矩形防波堤周围，也存在于浸深板周围，从而在两边缘引起了相当大的分离损失。

图 4 波浪系数作为规则波波陡函数的实验结果

图 5 波浪系数随着B/L#39;的变化；对于d / L = 0.2和d #39; / d = 0.3的比例时

图 6 波浪系数随着B/L#39;的变化；对于d / L = 0.2和d #39; / d = 0.3的比例时

如图 6a，b和 c所示，对于d#39;/d=0.2时的情况下，多数波浪在平台上达到破碎极限，因此，不仅增加了Ca，而且减少了Ct，是可以预计的。Cr的取值保持在大约和那些对应于d#39;/d = 0.3的函数一样，而不是预计的那么高，因为是破碎的状态。对于小的浸深，上面的平台中对波形的非线性效应变得相当显着，当波浪破碎出现时能观测到较低的反射现象。目前的实验结果由迪克（1968）比较整理数据。这些结果证实了理论预测，即最佳 B/L#39;的比例在0.5和0.7之间。

为了研究浸深的影响，水的深度和波长保持恒定，给出了一个大小为0.2的相对深度比。浪高在小波陡的一个较窄的范围中变化。实验点的绘制是在波陡的范围中取三次运行的平均值。如图7a，b和c所示是，对于不同的最高可达0.5的浸深比，B/L之比为0.375的实验显示结果。自浸深板上方的波长，L#39;，是依赖于浸深比，这些图形实际显示的是 B/L#39;之比和d#39;/d之比的组合效应。通过有限元法（Patarapanich，1984b）得出的相应理论解也绘制出以便直接比较。该解决方案在小的浸深比时是无效的，因为波浪在板上呈破碎状态。

可以看出，由于板的浸深从中间深度处下降（d#39;/d =0.5），波反射增加，因此传输减少。实际反射和透射系数作为理论曲线，遵循相同的趋势，但稍小于预测结果。在d#39;/d的比值约为0.2-0.3时 ，实验Cr，曲线达到一个峰值，然后开始下降直到d#39;/d ~0.15时取最低值。根据Patarapanich的解释（1984a），显然是实验结果不遵循的理论趋势下降到零了，在两个板的边缘附近反射波不断叠加在流体区域中产生能量流动。

实验Ct曲线随着浸深的减小而下降，说明能量的损失增加。最佳d#39;/d的比率被发现在大约0.1-0.15范围中，若超越了此范围Ct曲线会变得更高。在某些情况下，最佳的浸深可能与0.05倍的水深一样小。可以观测到，当反射达到最大值时，最小传输是不能实现的。这一结果，再次强调了波的破碎对于浸深水平板有效降低入射波的重要性。

图 7 波浪系数随着d#39;/d的变化；对于B/L=0.375和d/L=0.2的比例时

图8a，b和c显示出与下潜深度的比值系数相似的情节。在这种情况下，相对深度比仍保持在0.2，但板的宽度为波的长度比（B/L）增加至0.5。这个预测的反射曲线出现0和0.4之间，同时传输预计将在0.9左右。实验点似乎遵循相同的趋势，但低于理论曲线。所观察到的Cr曲线并未降到预测值为零的位置。在浸深范围，能量损失显着高于以前的情况。最佳 d#39;/d之比被确定为在0.05-0.1区间中。

图 8 波浪系数随着d#39;/d的变化；对于B/L=0.5和d/L=0.2的比

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