完全非线性波作用下海洋结构物的载荷与响应

摘要

随着海洋工程向深海发展，海洋结构物所处的海洋环境更趋恶劣，面对波浪爬升、相对运动和上浪等流体强非线性冲击现象更加频繁，这些都会对海洋结构物产生很大的局部冲击破坏载荷。因此，基于摄动法将波浪近似成线性、二阶以及更高阶的处理方法已经不能满足当今海洋工程领域的需求，完全非线性数值波浪水池的构建与应用成为了新的热点课题。本文基于粘流理论、流固耦合理论和自由液面追踪技术——VOF(Volume of Fluid)法，以不可压缩流体的连续方程和N-S方程及结构动力学方程为基本控制方程，采用完全非线性自由液面条件和物面条件，建立了波浪与三维结构物相互作用的完全非线性数值模型，就完全非线性波与海洋结构物的相互作用问题主要开展了以下工作：
　　1）围绕数值波浪水池研究、非线性波浪与结构物相互作用研究以及非线性波浪与弹性结构物相互作用研究三个方面，对国内外的波物相互作用课题研究现状作了较为全面的综述。
　　2）基于粘流理论，建立了波浪与结构相互作用的流固耦合数学模型，包括不可压缩流体的连续方程和N-S方程及结构动力学方程，完全非线性自由液面条件和物面条件，并提出相应数值解法。
　　3）以商业软件ANSYS14.5中的FLUENT模块为平台，通过程序接口加载UDF程序进行二次开发，采用设置速度入口造波方法和阻尼消波方法，建立了二维粘性数值波浪水池，并进一步扩展到三维。通过Stokes三阶波的模拟，与波浪的理论解进行了对比分析，结果表明波浪数值水池具有良好的造波和消波功能。
　　4）数值模拟了二维固定结构物上浪问题，将得到的上浪水位高度值与文献中的试验结果相比对，验证了本文提出方法的可行性及正确性。
　　5）建立了二维浮式结构物与波浪相互作用的完全非线性数值模型，探究了不同波浪要素和不同干舷高度对结构物运动响应和上浪情况的影响。在此基础上进一步研究了三维固定形式结构物和自由浮动结构物与完全非线性波的相互作用，得到了上浪水位高度和冲击载荷等重要参数，分析了甲板上浪机理，重现了甲板上浪的完整过程。
　　6）进一步研究了弹性浮体与波浪的耦合作用，对弹性浮体的应力应变值进行了分析，观察了不同时刻弹性体在波浪中的姿态，分析了较容易发生应力应变集中的位置。

目录

封面

声明

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 国内外研究现状综述

1.3 论文主要工作

1.4 本文创新点

第2章 波浪与结构耦合作用理论及数值方法

2.1 物理模型

2.2 数值求解

2.3 流固耦合实现方法

2.4 本章小结

第3章 基于粘流理论的波浪数值模拟

3.1 波浪理论

3.2 二维粘流数值波浪水池

3.3 三维粘流数值波浪水池

3.4 本章小结

第4章 二维浮式结构物与波浪完全非线性相互作用

4.1 流固耦合实现过程

4.2 二维甲板上浪验证实例

4.3 浮式结构物与波浪完全非线性相互作用数值模拟

4.4 本章小结

第5章 三维浮式结构与波浪完全非线性相互作用

5.1固定结构甲板上浪数值模拟

5.2 浮动结构物与波浪的相互作用

5.3 弹性浮式结构物与波浪的相互作用

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢