水动力特性试验

1.试验设备与量测仪器

试验在海岸和近海工程国家实验室的溢油水槽中进行，水槽长23m，宽0.8m，最大水深0.7m。水槽前端配有自行研制的DL-3型液压伺服不规则波造波机，可产生单向规则波和不规则波，水槽的尾端安装有消能网。

波浪数据测量采用2000型数据采集处理系统采集，并结合Goda的两点法测定模型的透射系数；锚链力采用DYL-1A型，量程0～50kN，精度≤1%RL的应变式拉力传感器测定；模型运动通过CCD图像采集系统采集。

2.模型设计及其在水槽中的布置

模型的三视图及模型在水槽中的布置：模型放置在水槽中央距造波机12m处。模型延长度方向与水槽的长度方向正交（波浪正向入射）。

堤处地形平整，堤前造波坡度为1∶150。采用白钢锚链，总长为600mm，根据悬链线理论知悬链线段长692mm，无拖地段长度。锚链刚度采用弹簧线形模拟，弹簧刚度为1.8kN/cm。

3.试验组次与试验方法

分别对3种模型的两种吃水进行试验，3种模型矩形方箱尺寸相同、锚链特性与布置方式相同。模型1，传统浮箱，s/d=0.3375；模型2，开孔圆弧加矩形浮箱，s/d=0.3375；模型3，开孔圆弧加矩形浮箱，s/d=0.450。

试验采用规则波，共有2种波高，8种周期，2种吃水，1种水深，试验波要素为：水深0.40 m；波高0.07，0.10m；周期0.70，0.73，0.81，0.91，1.10，1.28，1.46，1.55 s；模型吃水0.135，0.180m。模型放置前，于水槽内轴线处测定原始波要素。波面采样时间距为0.02s，采样长度为1024。模型放置后，于堤前、后各放置2个工字形浪高仪测定堤前后的波面历时曲线，利用2000型数据采集处理系统得到透射系数；同时采用CCD处理系统和拉力传感器测定模型的运动和锚链受力历时曲线。所有试验重复3次，结果取其平均值作为试验值 。

通过规则波物理模型试验，对一种由开孔圆弧、矩形方箱及锚链系统组成的浮式防波堤新结构的水动力特性进行了研究，得出以下结论：

1） 结合开孔圆弧和矩形方箱以及锚链系统在防波堤工程上的优点，提出的新型浮堤结构有着良好的应用前景。

2） 相对宽度较小（W/L<0.20）时，与传统的浮堤结构相比，新型浮堤有着较好的消浪性能，这也为探讨浮堤衰减较长周期波提供了一种新的结构设计思路。

3） 与传统的浮堤结构相比，新型浮堤的横荡、垂荡以及横摇幅度都较小，有着良好的运动特性。

4） 由于开孔圆弧结构在有效减小受力方面的优点，因此新型浮堤结构所受锚链力较传统方箱大大减小。

对这种浮堤结构进行了初步的实验室单向规则波下的探讨，实际的海浪总是多向且不规则的，建议下一步的工作进行这方面的研究，同时开发数学模型 。2100433B

圆弧型结构和矩形结构在防波堤工程上应用的优点，提出一种上部为开孔圆弧加矩形浮箱，下部是锚链和水底相连的新型浮式防波堤结构。对于锚链式浮式防波堤结构而言，透射系数（Ct）和锚链受力固然是研究的主要内容，同时结构的运动特性（特别是横荡运动幅值） 也不能忽略，因为这直接关系到海上作业的安全、有效海域的使用效率、当地管线与缆线的敷设和其他船只在该水域的锚泊等一系列问题。为此通过二维物理模型试验研究了该种浮堤模型的透射系数、运动幅值及锚链受力等水动力特性与相对宽度及相对吃水的关系，并与传统方箱浮堤进行了比较。

为了使试验所得结论具有代表性，能够反映浮堤结构的普遍规律，特对所得到的试验数据进行无因次化处理。

透射系数Ct=Ht/H0是反映结构消浪性能的主要指标，由于其本身已是无因次量，因此不需要无因次化。在这里，Ht表示模型后的透射波高；H0表示入射波高。

对于模型的二维运动特性中的垂荡和横荡，用RAOs（结构运动幅值/波浪幅值）加以描述；对于结构的横摇则透过它除以波陡kA使无因次化。其中，k是波数；A是入射波的波幅。

结构的动力特性包括：自振特性(频率、振型及阻尼)和幅频响应函数(幅频特性和相频特性)。作用在水工结构上的动力荷载有地震荷载、爆炸荷载、动水荷载和机械运行所引起的震动荷载等。上述动水荷载，研究下泄水流对下游河床产生的脉动荷载，是通过水弹性模型试验来进行的。

到20世纪末所进行的水工结构动力模型试验，大都是指结构及其基础是处在线弹性范围内工作的。至于通过动力模型试验研究结构的非线性动力问题, 例如研究结构的动态屈服条件、破坏机理以及土坝、土基等的动力问题，正在开展多方面的研究，例如通过动力试验研究土的动力特性、土坝及基础的液化问题等，都已取得一些成果 。

土体动态测试技术，直接影响着土动力特性研究和土体动力分析计算的发展，起着正确揭示土的动力特征规律和完善分析计算理论的重要作用，是土动力学发展的基础。在室内进行土的动力特性试验，主要包括两方面的内容：

（1）确定土的动强度，用以分析在大变形条件下地基和结构物的稳定性，特别是沙土的振动液化问题；

（2）确定剪切模量和阻尼比，用以计算在小变形条件下土体在一定范围内所引起的位移、速度、加速度或应力随时间的变化。

振动三轴试验所涉及的基础理论，包括：振动与波的基本概念，地震的有关知识，受力体的三向应力等。

早在五十年代末，中国国家水利科学院就在黄文熙教授等领导下，开始利用振动三轴仪试验方法来研究饱和地基及边坡的抗液化稳定性；六十年代初期，振动三轴试验被正式列入水电部的《土工试验操作规程》，这大大推动了土动力特性的实验研究工作。

中文名称

水动力特性

英文名称

hydrodynamic property

定　　义

一定负荷下，经过锅炉受热面的工质流量与流动压降之间的关系。

应用学科

电力（一级学科），锅炉（二级学科）