CN216275544U - 一种基于多模共振的纵向阵列防波通道结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种基于多模共振的纵向阵列防波通道结构，其包括多个通道结构，单个通道结构包括两个平行放置且具有一定间隔距离的墙体，两侧墙体上分别具有周期长度一致的凸起结构，其中周期长度和凸起结构宽度、长度根据实际需要进行调整。本实用新型的基于多模共振的纵向阵列防波通道结构能够防止海岸侵蚀和保证船舶平稳通行及停泊的纵向阵列防波通道结构。

Description

一种基于多模共振的纵向阵列防波通道结构

技术领域

本实用新型属于防洪堤坝技术领域，具体涉及一种基于多模共振的纵向阵列防波通道结构。

背景技术

经济的发展，对于水资源的掌控能力水平需要不断提升，以适应农业、工业的用水需要。但是，随着人为因素对自然环境的影响加剧，区域内的极端天气正在呈现出上升态势，洪涝灾害次数与损失都在逐年增加。防洪堤坝的建设在城市发展中也愈加重要。防洪坝是指为了防止河水泛滥，危害到人们的生命财产安全而建的大坝，主要材料为水泥，混凝土等。江河湖塘防汛中常遇洪水漫坝风险和漫坝现象发生，特殊环境、地段、地块或设施也常需临时筑坝拦截洪水，现有技术多是装填沙袋堆砌临时堤坝应急。但这种措施多存在沙袋大小不均不规整，堆砌参差不齐稳定性差、牢固度低，重叠多层堆砌虽可提高可靠性，但使本来就时间紧迫、劳动强度极高的抗洪人员难以应对。

此外，广阔的海岸线以及大量的海洋资源，使我国成为了海洋资源大国。由于海上贸易的发展以及海洋资源的开发的紧迫性，海岸港口的建设成为了研究人员的关注焦点。利用海洋工程理论，科学、合理地开发和建设海岸港口对于我国的长期可持续发展起着至关重要的作用。与海岸港口建设的同时，伴随着的是，如何防止波浪对海岸港口的侵蚀或破坏。

中国专利申请第CN201520165864.9号公开一种海岸防波堤，防波堤由水面上的岸堤和支撑圆桩组成，当水波入射防波堤时，在周期排布的直立式圆柱形土筒桩结构内产生布拉格共振，以达到防波的目的。中国专利申请第CN201620309541.7号公开一种“十”字形浮式防波堤，该浮式防波堤由多个橡胶制成的十字形空心浮体组成，浮体上附有波浪破碎杆，并由锁链和锚基固定在指定位置。由于多个同形浮体的排列，入射水波会在结构内发生破碎和共振，阻碍水波的透射。中国专利申请第CN201611137592.7号公开一种消中长周期波浪的浮式防波堤，这种防波浮式防波堤包括多个V型浮体平行排列，在V型的三个顶点处用重力锚固定在指定位置，可以用于消减中长周期6-10s的波浪。

以上三种防波结构均存在阻碍船只通行的问题，船只不得不绕过防波结构才能到达防波地区。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型人经过多次设计和研究，提供了一种基于多模共振的纵向阵列防波通道结构，其为一种周期结构防波堤，其能够防止海岸侵蚀和保证船舶平稳通行及停泊的纵向阵列防波通道结构。

依据本实用新型的技术方案，提供一种基于多模共振的纵向阵列防波通道结构，其包括多个通道结构，单个通道结构包括两个平行放置且具有一定间隔距离的墙体，两侧墙体上分别具有周期长度一致的凸起结构，其中周期长度可根据实际需要进行调整。

其中，两侧墙体上分别具有周期长度一致的矩形凸起结构。优选地，两侧墙体的周期凸起结构错开半个周期的相对位移进行排列，呈非对称分布。

进一步地，周期长度和凸起结构宽度根据实际需要进行调整。两侧墙体上的矩形凸起结构长度与周期长度的比值，即占空比同样可根据实际情况调节。

优选地，多个通道结构呈顺应性平行关系，即第一通道结构出现某一弧度或曲度弯曲时，与第一通道结构相邻的第二通道结构呈现与第一通道结构的弯曲的弧度或曲度一致的弯曲，即顺应性平行关系。

更优选地，防波通道结构的尺寸参数细节需根据多模共振原理和防波需求进行设计。

本实用新型的基于多模共振的纵向阵列防波通道结构通过调整周期结构的几何参数，能够对周期结构中的一些波动现象进行调控和观测；周期结构防波堤能够使海浪在防波结构内形成共振，从而导致特定周期的水波无法通过该周期结构防波堤，在对应周期范围内形成禁带，以达到防波的目的。更进一步地，基于多模共振的纵向阵列防波通道结构具有以下有益效果：

1、结构简单，易建造；

2、能够适应各种不限水深的港口环境；

3、衰减水波和消波能力强；

4、在衰减阻碍水波传播的同时，还可以确保船只平稳通行和停靠；

5、通道两侧墙体上凸起结构的几何参数和周期数目以及纵向阵列通道的个数可根据实际需求进行调整。

附图说明

图1是依据本实用新型的一种基于多模共振的纵向阵列防波通道结构的俯视图。

图2为图1中的基于多模共振的纵向阵列防波通道结构的轴侧图。

图3为应用基于多模共振的纵向阵列防波通道结构对应的仿真振幅场图。

附图中的附图标记具体如下：

1、基于多模共振的纵向阵列防波通道结构，2、海平面，3、海岸。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。另外地，不应当将本实用新型的保护范围仅仅限制至下述具体结构或部件或具体参数。

本实用新型公开了一种基于多模共振的纵向阵列防波通道结构，其通道结构包括两个平行且具有一定间隔的墙体，两侧墙体上分别具有周期排列且几何尺寸相同的矩形凸起结构。两侧墙体的周期凸起结构错开半个周期的相对位移进行排列，呈非对称分布。当水波从防波通道结构的一端入射并经过非对称的周期结构后，得到有效抑制，使得通道后方出现无波浪区域。在实际应用中可以根据不同的需求选择防波通道纵向阵列个数，以满足不同的防波需求。本阵列防波通道结构具有结构简单、防波能力强、能够适应各种不限水深的海岸港口环境等优点。在高效防波的同时，还可以确保船只平稳通行和停靠。

进一步地，本实用新型的一种基于多模共振的纵向阵列防波通道结构包括多个通道结构，其单个通道结构包括两个平行放置且具有一定间隔距离的墙体，两侧墙体上分别具有周期长度一致的矩形凸起结构，其中周期长度和凸起结构宽度长度可根据实际需要进行调整。两侧墙体上的矩形凸起结构长度与矩形周期长度的比值，即占空比同样可根据实际情况调节。两侧墙体上凸起结构有半个周期长度的相对位移，水波从通道的一端入射并经过两侧非对称周期结构，可激发出高阶横向模式，从而产生高阶模式参与的多模共振，其禁带深度比布拉格禁带更深，可更好的阻碍水波入射通道。

本实用新型基于多模共振的纵向阵列防波通道结构采用波动中的高阶模式的激发理论及模式，上述高阶模式的激发理论及模式与波动中低阶模式区别非常大，波动中低阶模式相互作用产生布拉格禁带，高阶模式共振作用产生多模共振现象；相对于低阶模式相互作用产生的布拉格禁带而言，多模共振产生的禁带对波传播的限制作用更强。本实用新型基于多模共振的纵向阵列防波通道结构将高阶模式的激发理论运用到防波结构设计中，对周期结构中激发的水表面波高阶模式进行调控，将这种调控机制应用到防波抗波和航道设计等相关领域中，进而能够使海浪在防波结构内形成共振，从而导致特定周期的水波无法通过该周期结构防波堤，在对应周期范围内形成禁带，以达到防波的目的。

下面结合附图，进一步说明本实用新型基于多模共振的纵向阵列防波通道结构，如图1所示的基于多模共振的纵向阵列防波通道结构，其包括多个通道结构，多个通道结构呈顺应性平行关系，即第一通道结构出现某一弧度或曲度弯曲时，与第一通道结构相邻的第二通道结构呈现与第一通道结构的弯曲的弧度或曲度一致的弯曲，即顺应性平行关系；单个通道结构包括两个顺应性平行放置的墙体，两个墙体之间的间隔距离为b，在两侧墙体上分别设置有多个矩形凸起结构，各个矩形凸起结构具有相同凸起结构长度w和凸起结构宽度d，相邻矩形凸起结构具有相同的周期长度Λ，并且凸起结构长度w、凸起结构宽度d和周期长度Λ等这些参数可根据实际需要进行调整。相邻对应两侧墙体上凸起结构为非对称排列，例如第一通道结构中有对应的两侧墙体，在平行排列的两侧墙体上分别设置对应的矩形凸起结构，分列于不同侧墙体上的对应矩形凸起结构之间有半个水波周期长度的相对位移Δx。

当海浪进入基于多模共振的纵向阵列防波通道结构的通道后，由于两侧墙体上的矩形凸起结构的周期结构具有非对称性，矩形凸起结构可激发高阶横向模式参与的多模共振，相对于布拉格共振而言，这种多模共振对海浪有较大的抑制和衰减作用。图3为应用基于多模共振的纵向阵列防波通道结构对应的仿真振幅场图，通过图3所示的场图中可以明显看到，在通道的入口附近形成了复杂的场分布，并沿着通道方向迅速衰减。多模共振的中心周期即防波的中心周期可以通过调节凸起结构间隔距离b、凸起结构周期长度Λ来设置至目标频率。可以通过调节凸起结构宽度d来扩大和缩小多模共振禁带的宽度即防波频带。

进一步地，所述基于多模共振的纵向阵列防波通道结构中的间隔墙体上设置周期排列且几何尺寸相同的凸起结构，墙体上凸起结构可根据不同的应用环境设计为锯齿形、半圆形、梯形等形状。且凸起结构相对位置相差半个波动周期长度，以实现墙壁上周期结构的非对称分布。通道结构中的通道宽度以及凸起结构的长度、宽度、周期长度可根据防波目标的海浪周期进行调整，两侧墙体上的凸起结构长度与周期长度的比值，即占空比同样可根据实际情况调节。

更进一步地，凸起结构为具有一定硬度的刚性材料，例如钢筋混凝土，其中墙体厚度通常不小于20厘米。本实用新型中的基于多模共振的纵向阵列防波通道结构中的通道结构数量可以根据实际需求选择，所按需设置的纵向阵列排列的通道结构数量可以满足不同应用场景或不同场合的防波需求。

本实用新型中的基于多模共振的纵向阵列防波通道结构中各个参数设计需根据多模共振原理和防波需求进行设计，其采用如下公式进行设计计算：

其中c.c.为共轭复数，Φ(x,y,z,t)为速度势，φ(x,y)为水平面位移量，k为由角频率ω决定的波数，ω为水波线性色散关系确定，x为水平分量，y为垂直x分量的垂直分量，z为垂直于xy平面的正交分量。

ω²＝(gk+γk³/ρ)tanhkh

其中g为重力加速度，γ为水表面张力，取值为γ＝73dyn/cm，ρ为水体密度，取值为ρ＝1g/cm³，h为水表面距水底深度。

通过图1所示结构可以看出，所述单个通道结构的两侧墙体具有非对称结构，对单一一侧墙体上的矩形凸起结构周期结构整体进行平移，以形成两侧周期矩形凸起结构的非对称结构，其中平移距离为半个凸起结构周期长度。

优选地，基于多模共振的纵向阵列防波通道结构采用的实施例如下：

单个具有非对称结构的防波通道结构中的通道的两侧墙体中间宽度间隔b为15m，凸起结构周期长度Λ为15m，凸起结构周期个数为10，两侧墙体上矩形凸起结构宽度d为1.2m，凸起结构长度w为6m，占空比为0.4(即凸起结构长度与凸起结构周期长度比值)。其中单一一侧墙体上周期凸起结构整体进行相对位移，相对位移长度Δx为半个凸起结构周期长度，即7.5m。纵向阵列通道结构数量为5个，其排列方式如图1所示。所述的两侧墙体以及墙体上的凸起结构可以为刚性材料，如钢筋混凝土。针对不同的应用环境，若实际需求的防波面积更大，可以增加纵向排列的防波通道个数，以达到扩大防波面积的需求。

图2示出安装使用本实用新型所述基于多模共振的纵向阵列防波通道结构的方式，基于多模共振的纵向阵列防波通道结构1与海平面1垂直放置，海平面2位于基于多模共振的纵向阵列防波通道结构1之中。

图3为应用基于多模共振的纵向阵列防波通道结构对应的仿真振幅场图，结合图1和图2设置来说明在采用上述示例尺寸结构条件下的仿真结果：

在上述结构尺寸情况下，利用仿真软件对图2对应结构的纵向阵列防波通道结构进行性能测试，在纵向阵列防波通道结构的一侧设置波浪入射源，观测纵向阵列防波通道结构另一侧的水波振幅情况。仿真数值结果表明纵向阵列防波通道结构的透射谱在入射波浪周期3.75s至4.05s范围内有一条明显的禁带，故能够达到防波的目的。

图3为在禁带范围内，海浪入射到纵向阵列防波通道结构内的场分布图。由此振幅场分布可看出，由于墙体上凸起结构为具有相对位移的非对称结构，高阶模式被激发并产生多模共振，水波能量在通道的前端就被全部损耗了，并形成了更为复杂的物理场分布。相对于传统的布拉格防波结构而言，具有非对称结构的防波通道的消波能力比具有对称结构的防波堤更好。

综上所述，本实用新型纵向阵列防波通道结构基于多模共振作用机理，实现了衰减波浪能和保证船只平稳通行的功能。纵向阵列防波通道结构具有结构简单，易于建造，衰减阻碍水波的能力强于传统的布拉格防波堤，同时又可以保证通行空间。上述实施例中的方案仅为说明基于多模共振的纵向阵列防波通道结构实施方式和消波性能，本领域技术人员知悉在实际应用中可以根据防波的需求对结构参数进行调整。

以上所述，仅为本实用新型较佳的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本实用新型的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出各种各样的修改。

Claims (5)

1.一种基于多模共振的纵向阵列防波通道结构，其特征在于，其包括多个通道结构，单个通道结构包括两个平行放置且具有一定间隔距离的墙体，两侧墙体上分别具有周期长度一致的凸起结构，其中周期长度可根据实际需要进行调整。

2.根据权利要求1所述的基于多模共振的纵向阵列防波通道结构，其特征在于，两侧墙体上分别具有周期长度一致的矩形凸起结构。

3.根据权利要求2所述的基于多模共振的纵向阵列防波通道结构，其特征在于，两侧墙体的周期凸起结构错开半个周期的相对位移进行排列，呈非对称分布。

4.根据权利要求2所述的基于多模共振的纵向阵列防波通道结构，其特征在于，凸起结构周期长度和凸起结构宽度根据实际需要进行调整，两侧墙体上的矩形凸起结构长度与周期长度的比值，即占空比同样可根据实际情况调节。

5.根据权利要求4所述的基于多模共振的纵向阵列防波通道结构，其特征在于，多个通道结构呈顺应性平行关系，即第一通道结构出现某一弧度或曲度弯曲时，与第一通道结构相邻的第二通道结构呈现与第一通道结构的弯曲的弧度或曲度一致的弯曲，即顺应性平行关系。

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