Рассеяние изгибно-гравитационных волн на сосредоточенных препятствиях в плавающей пластине

• Автор: Жучкова, Марина Геннадьевна
• Шифр специальности: 01.02.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 122 с. : ил.

1. Введение
1.1. Актуальность темы исследования
Уже не первый десяток лет ученые разных стран мира занимаются изучением гигантских плавучих сооружений. К таким сооружениям относятся морские платформы различного назначения, искусственные острова на плавающем основании, плавучие взлетно-посадочные полосы. Необходимость в создании подобных конструкций очевидна: рост численности населения, ускоренное развитие промышленности и, как следствие, нехватка и дороговизна земли. Многие густонаселенные, развитые страны мира (Япония, Нидерланды, Израиль и др.) для расширения своих сухопутных территорий активно используют свободное морское пространство. За пределы суши выносят различные объекты промышленности, производственной и социальной инфраструктуры. Это позволяет рационально использовать земельные ресурсы, пригодные для сельского хозяйства и городских построек, помогает в решении экологических проблем. Однако традиционное строительство на акватории искусственных насыпных (намывных) островов имеет серьезные недостатки, главными из которых являются высокая стоимость проводимых работ и вредное воздействие на окружающую среду. Альтернативой насыпным островам служат гигантские плавучие сооружения. Такие сооружения в несколько раз дешевле насыпных островов, не подвержены размыву и не наносят большой ущерб экосистеме морей и океанов. В отличие от насыпных островов их можно строить не только на мелководье, но и в районах с,большой глубиной. Гигантские плавучие сооружения могут быть использованы в качестве пристаней, доков, мостов, волнорезов, спасательных и военных баз, аэропортов, стартовых площадок для запуска искусственных спутников Земли, нефтехранилищ, для размещения на них промышленных и складских сооружений, солнечных и ветряных электростанций, развлекательных центров, парков отдыха, для освоения континентального шельфа, добычи и переработки полезных ископаемых и для жилых комплексов. Выделяют ([52]) два типа гигантских плавучих сооружений: полупо-груженный и понтонный.
Полупогруженное плавучее сооружение включает надводную горизонталь-
ную платформу и вертикальные цилиндрические пустотельные колонны с понтонами. Понтоны заглублены под воду с целью снижения волновых воздействий, а платформа поднята на колоннах выше гребней самых высоких волн. Полупо-груженные плавучие сооружения обычно используют для добычи нефти и газа, а также для других целей.
Плавучее сооружение понтонного типа располагается (плавает) на поверхности воды и представляют собой модульную конструкцию, которая состоит из огромных понтонов, скрепленных друг с другом специальными приспособлениями. Понтонные секции изготавливаются из стали, бетона, железобетона, обеспечивая всему сооружению прочность и надежность. Они устойчивы и безопасны, обладают высокой допустимой нагрузкой. С помощью модульных понтонов гигантская плавучая конструкция может быть легко собрана и быстро введена в эксплуатацию. Ее можно легко переместить на новое место для швартовки, расширить, адаптировать к новому назначению, перестроить или разобрать. Важным преимуществом гигантских плавучих конструкций понтонного типа является постоянная высота их возвышения относительно уровня воды.
Рис. 1.1. Плавучий аэродром „Мега-флот“
По-видимому, одним из самых крупных гигантских плавучих сооружений является (ныне разобранный) японский плавучий аэродром „Мега-флот“(рис. 1.1). Длина его взлетно-посадочной полосы - 1000 м, ширина - до 121 м, площадь свободной поверхности — 84000 м2. Массивная конструкция состояла из шести соединенных друг с другом стальных понтонов толщиной 3 м. Наибольшая понтонная

секция имела размеры 383 м х 60 м. Испытания аэродрома проводились летом 2000 года в Токийском заливе, в 4 км от прибрежной полосы ([77]). В разных погодных условиях с него взлетали и на него приземлялись легкие самолеты и вертолеты. Результаты тестов показали, что аэродром ведет себя достаточно устойчиво при воздействии на него волн и при взлете и посадке самолетов, его поперечная деформация незначительна. Длину взлетно-посадочной полосы при необходимости можно было наращивать для того, чтобы аэродром смог принимать самые большие самолеты. „Мега-флот“ предполагалось использовать как дополнительный аэродром или как передвижной спасательный комплекс в случае крупных катастроф на воде.
В Нидерландах был спроектирован и построен экспериментальный поселок, состоящий из плавучих домов. В отличие от обычных, в плавучих домах подвал не составляет единое целое с основанием, и представляет собой бетонную платформу, в которую вмонтирован поплавок. Для того, чтобы плавучий дом не уплыл, он прикреплен к двум толстым стальным колоннам, по которым, как по направляющим, он скользит вверх-вниз вместе с уровнем воды. Колонны глубоко вделаны в твердое основание и достаточно прочно противостоят даже самым сильным течениям. Наводнения этим домам не страшны. Голландские архитекторы и инженеры, вдохновленные успехом плавучих домов, разрабатывают теперь проекты городов на воде.
Недавно в Санкт-Петербурге была построена и установлена на акватории Невы плавучая вертолетная площадка ([27]). Она расположена недалеко от Медного всадника и предназначена для обеспечения доставки пассажиров в центр города. Вертолетная площадка представляет собой понтонное двухэтажное сооружение, на первом этаже которого - зал ожидания, а на втором - сама площадка для взлета и посадки вертолета. Регулировка взлетно-посадочных операций проводится дистанционно диспетчерами Санкт-Петербургского аэропорта. Вертолетная площадка является необитаемым объектом. Люди на ней появляются только при взлете и посадке вертолета. Охрана осуществляется комплексом средств автоматики.
Другими примерами плавучих конструкций являются ([52]) японские пла-
2.5. Распространение изгибно-гравитационных волн в водоеме неограниченной глубины и на мелководье
Некоторые результаты приближенных теорий бесконечно глубокого бассейна и мелкой воды, уже были рассмотрены в этом разделе. Так, полагая произведение АН стремящимся сначала к бесконечности и потом к нулю и осуществив соответствующие предельные переходы в исходных равенствах, мы получили для указанных предельных случаев дисперсионные соотношения, а также формулы для расчета фазовой скорости изгибно-гравитационной волны и отношения потоков энергии в пластине и в воде. Речь идет о полученных формулах (2.25), (2.26), (2.27), (2.28), (2.34), (2.35). В этом параграфе продолжим рассмотрение предельных случаев. Выпишем исходные уравнения указанных приближений. Получим выражения для волнового потенциала. Определим корни дисперсионных уравнений.
Рассмотрим сначала распространение изгибно-гравитационных волн в условиях мелководья ([29]). Будем предполагать, что глубина водоема мала по сравнению с длиной волны (А Н —¥ 0). Проинтегрируем уравнение Лапласа (2.1) по координате г от дна до верхней поверхности воды
/-я) а /»&£>*. (2.36)
] дх1 дх дг ох J ох
-я -я
Из кинематического условия (2.5) и условия на дне (2.7) мы имеем поэтому

Далее рассмотрим результат интегрирования по частям правой части (2.37). дФ(х, г) дФ{х,—Н) [ д2Ф(х,г)
Г - Г (2.38)
У дх ох ] охог
Так как
-я -я

дФ(х —Н')
то можно исключить — из (2.38). Получим

[ дФ(х,г) дФ{х,0) Г д2Ф(х,г)