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波浪、水流与结构物耦合作用的时域模拟

作　者: 刘珍
导　师: 滕斌
学　校: 大连理工大学
专　业: 港口、海岸及近海工程
关键词: 波流作用时域模拟高阶边界元法海洋工程 Jonswap谱畸形波非线性系泊系统
分类号: TV139.2
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

海浪的传播过程中通常伴随着水流现象。波浪和水流共存时,它们间的相互作用将影响各自的传播特性。综合而形成的波流场并不是纯波动场与纯水流场的简单叠加,而是一个比较复杂的组合过程。。本文采用高阶边界元方法在时域内对波浪、水流与结构物相互作用问题进行了理论研究和数值模拟,重点研究了引入水流参数对单纯波浪作用下结构物水动力特性的影响。利用时域方法直接求解非线性问题时,速度势和波面在未知的瞬时水面上满足非线性自由水面动力学和运动学边界条件,致使每个时间步内自由水面都需要更新,这样耗费很长的计算时间。本文采用摄动展开理论,在物体运动的初始位置和平均自由水面离散网格,从而大大提高了时域方法解决波、流与结构物相互作用问题的效率。在势流理论假定下,本文分别研究了波浪、水流关于结构物的绕射和辐射作用问题。首先对建立的波、流与物体相互作用绕射模型进行验证,将直立圆柱的数值模拟结果与已发表的解析结果和频域结果对比,结果吻合良好。随后模拟了波、流与一个固定的四柱平台相互作用问题,模拟所得的数值结果与试验结果吻合良好,从而证实了固定物体与波、流相互作用模型的准确性。将模型延伸到波、流与浮动物体相互作用问题,通过漂浮半球的数值模拟结果与已发表的频域结果对比,结果吻合良好,证实了波、流与结构物相互作用辐射模型的准确性。接下来对水流和波浪作用下某坐底式三腿海洋平台所受的一阶激振力和迎浪侧波浪爬高进行了详细的数值模拟研究,重点研究了水流参数的引入对单纯波浪与结构物相互作用模拟结果的影响。进一步将模型延伸到系泊JIP Spar平台与波浪、水流相互作用模拟中,缆绳等系泊系统是强几何非线性结构,本文采用绷紧索系泊系统为研究对象,详细分析了不同参数的水流对缆绳力、平台水动力荷载以及运动响应等模拟结果的影响。最后,本论文开展了畸形波、水流与系泊JIP Spar平台相互作用问题研究,利用Jonswap谱来描述不规则波随机过程,对平台在畸形波和水流作用下的水动力特性进行了详细的模拟研究。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 绪论  10-20
  1.1 论文的研究背景和意义  10-14
  1.2 波、流与结构物相互作用研究进展  14-18
  1.3 本文研究工作  18-20
2 基本理论与数值模型  20-40
  2.1 波、流与结构物相互作用模型  20-27
    2.1.1 基本假定和坐标系  20-21
    2.1.2 控制方程  21-22
    2.1.3 边界条件  22-25
    2.1.4 边界条件关于波陡和水流参数的摄动展开  25-26
    2.1.5 边界积分方程的建立  26-27
  2.2 基于高阶边界元的计算方法  27-38
    2.2.1 边界积分方程的离散  27-29
    2.2.2 固角系数的求解  29-31
    2.2.3 奇异积分的处理  31-34
    2.2.4 时间积分过程  34-35
    2.2.5 物体水动力荷载和运动响应计算  35-37
    2.2.6 m_j项的计算  37-38
  2.3 本章小结  38-40
3 波浪、水流与物体相互作用模型验证  40-78
  3.1 模型收敛性分析  40-47
    3.1.1 阻尼层设置  40-43
    3.1.2 网格划分原则  43-47
  3.2 直立圆柱模型验证  47-59
    3.2.1 直立圆柱模型介绍  47-48
    3.2.2 波流力结果对比  48-53
    3.2.3 波浪爬高结果对比  53-57
    3.2.4 二阶平均漂移力结果对比  57-59
  3.3 固定的四柱平台模型验证  59-64
    3.3.1 Kinoshita(1995)试验模型介绍  59-62
    3.3.2 波流力对比  62-63
    3.3.3 二阶平均漂移力对比  63-64
  3.4 浮动半球模型验证  64-77
    3.4.1 浮动半球模型介绍  64-66
    3.4.2 波流力对比  66-70
    3.4.3 波浪爬高对比  70-73
    3.4.4 运动响应对比  73-77
  3.5 本章小结  77-78
4 水流对波浪关于某坐底式三腿海洋平台绕射模拟的影响分析  78-112
  4.1 有限水深中海洋平台的模拟方法  78-79
  4.2 海洋平台结构模型及参数设置  79-81
  4.3 水流参数的变化对模拟结果的影响分析  81-110
    4.3.1 模拟结果随入射波浪周期变化趋势分析  81-105
    4.3.2 模拟结果随迎浪角变化趋势分析  105-110
  4.4 本章小结  110-112
5 波、流与系泊JIP Spar平台相互作用研究  112-137
  5.1 规则波、流与系泊JIP Spar平台相互作用模拟  112-124
    5.1.1 非线性系泊系统的模拟方法  112-114
    5.1.2 波浪、水流与系泊JIP Spar平台相互作用的数值方法  114-115
    5.1.3 JIP Spar平台模型及参数设置  115-117
    5.1.4 模拟结果分析  117-124
  5.2 畸形波、流与系泊JIP Spar平台相互作用研究  124-135
    5.2.1 畸形波的模拟方法  125-128
    5.2.2 JIP Spar平台模型及参数设置  128-130
    5.2.3 模拟结果分析  130-135
  5.3 本章小结  135-137
结论  137-139
参考文献  139-147
创新点摘要  147-148
攻读博士学位期间发表学术论文情况  148-149
致谢  149-150
作者简介  150-152

波浪、水流与结构物耦合作用的时域模拟

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