Расчет волнового режима на акватории порта

Введение

В состав курсового проекта «Устройство и компоновка морского по-рта» входит расчет дифракции (затухания) волн, проникающих через вхо-дные ворота на акваторию порта, защищенную молами или волноломами (Методические указания по выполнению расчета дифракции волн в морском порту , Д. Н. Митюшин, Н. Н. Загрядская, 2004г), [6, 10].

В результате расчёта определяется наибольшая возможная высота волны у причалов, которая сопоставляется с допускаемой по условиям безопасности. В исходные данные входит повторяемость ветра по направлениям в процентах (для построения розы повторяемости ветра на чертеже схемы порта), параметры распределения по закону Вейбулла и средняя скорость ветра для района порта. Распределение Вейбулла - один из законов теории вероятностей и применяется для определения вероятностных характеристик ветра, как случайной величины.

Сначала определяются расчетные скорости ветра и параметры исходной волны у входа в порт, а затем высота дифрагированных волн на акватории.

В расчете дифракции волн в курсовом проекте исходный луч волны принимается направленным по оси трассы входа в порт. Для расчета дифракции волн в курсовом проекте можно ограничиться выбором трех расчетных точек, по одной точке у трех причалов, расположенных в различных районах порта. Отметим, что дифракция - это искривление лучей и изменение высоты бегущих волн, проходящих через узость или огибающих препятствие

1. Определение расчетных параметров волн у входа в порт.

По заданным параметрам распределения Вейбулла и средней многолет-ней скорости ветра V м/с определяем расчетную скорость ветра при повто-ряемости по режиму обеспеченностью F = 0,02 (один раз в 50 лет) по формуле:

V_w = V(lnF/)^{1/ k}

Например, для Белого моря:  = 0.71, к =3.0 – коэффициент приведения скорости ветра на суше к водной поверхности, V = 8.9 м/с (значения коэффициентов прилагаются к заданию на курсовой проект). V_w = 8.9∙(-ln 0.02/0.71)^1/3 = 15.6 м/с , где ln 0.02 = - 3.91. Во всех вариантах для курсового проекта принимается F= 0,02.

Разгон волн (расчётное расстояние, на котором развивается волна) определяем по формуле:

L = K_vis  /V_w ,

где  =10^-5 м² /с (кинематическая вязкость воздуха), К _VIS = 5*10 ¹¹ – коэффициент. Например, при определённой выше скорости ветра 15,6 м/с L = 5∙10 ¹¹ ∙10 ^–5 /15.6 = 0.32∙10 ⁶ м = 320 км.

Среднюю высоту волныh _d и периодТ волн определяем по графику ( рис. 1) с помощью безразмерных параметров gL/V_w² и gt /V_w

Например, gL/V_w² = 9.8∙320∙1000 / 15.6² = 13000

g t / V_w = 9.8∙( 12 / 15.6)∙3600 = 27000,

где t = 12 – это двенадцать часов продолжительности ветра для морей, а 3600 – число секунд в часе. Эти значения находим на нижней горизонтальной оси графика (рис.1) и выбираем одно из этих двух, которое по кривым графика даст меньшее значение на левых вертикальных осях. В данном случае g L/V_w² = 13000 располагается чуть левее gt/V_w = 27000. Поэтому определение высоты и периода волн делаем исходя из gL/V_w² =13000.

Верхняя огибающая кривая (рис 1) – для глубокой воды с глуби-нами более 0,5 длины волны, что маловероятный случай для курсового проекта. Поэтому определяем параметр gd/V_w² (правая вертикальная шка-ла на рис 1), где d – естественная глубина воды у входа в порт. Например, глубина у входа в порт d = 11 м. Тогда gd/V_w² = 9,8 * 11 / 15,6² = 0,44. Поэтому приближенно принимаем кривую, заканчивающуюся у правой вертикальной шкалы на 0,4. От gL/V_w² =13000 идем вверх до кривой 0,4 и влево до шкал gh/ V_w² и gT/V_w. Получается в данном случае: gh /V_w² = 0,045, откуда средняя высота волны h=1,1 м ( с округлением до десятых ). gT/V_w = 2,7 , откуда средний период волн Т = 4,3с

Рис.1. График определения элементов ветровых волн в глубоководной и мелководной зонах

Длина волны =gT²/2 = 9,8∙4,3²/(2∙3,14) = 29 м (с округлением до целых).

Средняя высота волны – это ещё не расчётная величина, для определения которой необходимо сначала принять какую то расчётную обеспеченность (вероятность появления). Расчетную обеспеченность высот волн в системе при определении защищенности акватории порта принимают 5%. Расчетная высота волны с обеспеченностью 5% определяется по графику на рис. 2. Например, при gd /V_w² = 0,44 по рис. 2 при 5% получаем к_i =h_i /h = 1,8 , а высота волны h = 1,1∙1,8 = 2 м. В дальнейшем эта высота волны при определении дифракции волн на акватории принимается в качестве исходной расчетной волны у входа в порт (в курсовом проекте порта в Белом море).

Рис.2. Графики значений коэффициента К_i