[发明专利]一种圆环柱形防波结构及其数值计算方法

权利要求书

1.一种圆环柱形防波结构的受力计算方法，其特征在于，所述的圆环柱形防波结构包括圆环柱形结构、内部结构物(4)，其中圆环柱形结构包括内侧钢筋格栅(1)、多孔石料填充层(2)、外侧钢筋格栅(3)；所述的多孔石料填充层(2)由圆环柱形结构的内侧钢筋格栅(1)、外侧钢筋格栅(3)夹持固定，内侧钢筋格栅(1)、外侧钢筋格栅(3)任意水平截面同心；所述多孔石料填充层的空隙率和线性阻力系数均匀；所述的内侧钢筋格栅(1)、外侧钢筋格栅(3)底部与海底(6)固定连接，圆环柱形结构顶部高程大于海平面(5)高程；

所述的计算方法，包括以下步骤：

设外侧钢筋格栅半径为b，内部结构物半径为a，内侧钢筋格栅半径为c，多孔石料填充层空隙率为ε，线性阻力系数为f；海水深度为H；防波结构和内部结构物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；

第一步，将整个流域划分为三个计算子域，即内侧钢筋格栅(1)和内部结构物(4)壁面所包围的区域Ω_Ι，内侧钢筋格栅(1)和外侧钢筋格栅(3)所包围的区域Ω_ΙΙ，外侧钢筋格栅(3)以外的无限域Ω_ΙΙΙ；

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)，可采用分离变量法分解为：

上式中ω为角频率，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基本方程及内、外边界条件表达式：

式中，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，设和分别表示域Ω_Ι，Ω_ΙΙ和Ω_ΙΙΙ中的速度势，且各个子域之间应满足耦合边界条件：

在内部结构物壁面上，满足：

在内侧钢筋格栅界面处满足

其中，λ为惯性系数；

在外侧钢筋格栅界面处应满足：

另外，还需要满足无穷远处的Sommerfeld边界条件：

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，求出后，即可求出总场速度势Φ_,t，液体速度、波面高度和动态压力分别由以下表达式确定：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部结构物、内侧钢筋格栅填充内壁处、外侧钢筋格栅填充外壁结构单位长度上受到的横向力。