[发明专利]一种外接圆筒形格栅的圆环柱形防波堤及其数值计算方法

权利要求书

1.一种外接圆筒形格栅的圆环柱形防波堤，其特征在于，所述的圆环柱形防波堤包括内侧钢筋网(1)、多孔石料填充层(2)、外侧钢筋网(3)、圆筒形格栅(4)、钢管横梁(5)；所述的多孔石料填充层(2)位于圆筒形格栅(4)内部，由内侧钢筋网(1)、外侧钢筋网(3)夹持固定，内侧钢筋网(1)、外侧钢筋网(3)、圆筒形格栅(4)为圆环结构，且在任意水平截面同心；所述多孔石料填充层(2)的空隙率和线性阻力系数均匀，所述圆筒形格栅(4)开孔系数均匀；所述的内侧钢筋网(1)底部和外侧钢筋网(3)底部均与海底(7)固定连接；所述外接圆筒形格栅(4)、内侧钢筋网(1)以及外侧钢筋网(3)之间通过多根钢管横梁(5)焊接相连；所述外接圆筒形格栅(4)的圆环柱形防波结构顶部高程大于海平面(6)高程。

2.根据权利要求1所述的一种外接圆筒形格栅的圆环柱形防波堤的受力计算方法，其特征在于以下步骤：

设圆筒形格栅半径为b，外侧钢筋网半径为c，内侧钢筋网半径为a，多孔石料填充层空隙率为ε，线性阻力系数为f；圆筒形格栅开孔系数为G，海水深度为H，防波结构直立且底端与海底固定连接；计算过程中，还将用到以下参数：液体密度ρ，重力加速度g以及惯性系数λ；

系统所受波浪力的计算方法包括以下步骤：

第一步，将整个流域划分为三个计算子域，即内侧钢筋网(1)所包围的区域Ω_Ι，内侧钢筋网(1)和外侧钢筋网(3)所包围的区域Ω_II，外侧钢筋网(3)和圆筒形格栅(4)之间的圆环柱形区域Ω_III，以及圆筒形格栅(4)以外的无限域Ω_IV；

第二步，对于无旋无粘的理想流体，每个子域中流体的速度势函数Φ(x,y,z,t)，采用分离变量法分解为：

式中ω为角频率，满足方程ω²＝gk tanh(kH)，k为波数，i为虚数单位，满足三维Laplace方程，化简后得到二维Helmholtz方程：

设在边界上的法向导数为表示法向波速，采用变分原理并引入比例边界有限元SBFEM坐标系，得SBFEM基本控制方程及内、外边界条件表达式：

式中，为采用比例边界有限元坐标表示的关于的节点值，ζ＝k₀bξ，s，ξ分别为比例边界有限元坐标中的环向坐标和径向坐标，ξ₀为相似中心处的径向坐标，ξ₁为边界上的径向坐标，N为拉格朗日插值形函数，E₀、E₂、F_s为系数矩阵；

第三步，引入边界条件求解上述比例边界有限元控制方程；设分别表示域Ω_I，Ω_II、Ω_III和Ω_IV中的速度势，各子域之间应满足耦合边界条件：内侧钢筋网界面处外侧钢筋网界面处圆筒形格栅界面处另外，Ω_IV还需满足无穷远处的Sommerfeld边界条件，即：

其中，和为速度势的法向导数，r为节点与比例中心之间的距离；

第四步，待和求出后，即可求出总场速度势Φ，进而即可求出波面高度η和动态压力p，p＝-ρΦ_,t；结构域所受总力按下式计算：其中括号内第一～三项分别为内侧钢筋网填充内壁处、外侧钢筋网填充外壁处、圆筒形格栅外壁处结构单位长度上所受波浪力，R表示计算界面距离中心轴的距离。