强非线性波与海洋浮式结构物的相互作用

摘要

随着海洋工程向深海恶劣海域发展，人们对海洋环境的认识也在逐步提高。在恶劣海浪作用下，可能会产生严重的波浪爬升、相对运动和上浪等流体强非线性冲击现象，这些都会对海洋浮式结构及其正常作业产生很大的危害。关于海洋环境中水动力系数的预报方法，传统的势流理论具有一定的局限性，很难考虑粘性和非线性的影响，本文基于时域方法和粘流理论，以不可压缩流体的连续方程、N-S方程和结构动力学方程为基本控制方程，利用软件的二次开发功能，建立粘性数值波浪水池，就强非线性波的生成及其与海洋浮式结构物的相互作用问题开展了以下研究工作：
　　（1）基于粘流理论，建立流固耦合的数学模型，详细阐述了其求解方法。基于商用软件ANSYS14.0，以浸没在静止流体中的弹性梁为算例，验证了通过System Coupling模块实现流固耦合计算的可行性。
　　（2）以ANSYS14.0中的CFD模块FLUENT为平台，通过程序接口加载UDF程序进行二次开发，建立了具有造波、消波功能的数值波浪水池，并通过余弦波的模拟，对质量源造波、设置速度入口造波、仿物理推板造波三种数值造波方法进行了对比分析。
　　（3）通过推板造波法模拟具有不同波长、波高的余弦波，研究粘性对流体质点运动及波高衰减的影响，并利用MATLAB软件进行回归分析编程，对衰减规律进行数值拟合研究，提出了一种拟合效果令人满意的衰减公式形式。
　　（4）以JONSWAP谱描述不规则波的随机特性，通过MATLAB数值计算得到有效的目标谱频谱范围min~max，通过C语言编程实现组成波要素的计算和UDF程序的编写，通过波能聚焦的方式实现了强非线性波的数值模拟。并且在深入探讨聚焦点、推板运动与聚焦波形态之间的关系的基础上，提出了一种通过MATLAB程序确定设计聚焦位置和聚焦时刻，以此提高聚焦波模拟精度的方法。
　　（5）在数值波浪水池中建立聚焦波浪与二维浮式结构物相互作用的数值模型，通过一系列工况设置与计算，对浮体所受到的波浪力，漂移、垂荡和横摇等运动响应，甲板上浪与冲击动压强等水动力特性进行分析，研究了横剖面形状、上层建筑、限制漂移、浮体放置地点和入射聚焦波幅值等因素在强非线性波与海洋浮式结构物耦合作用中的影响。

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

1. 3 本文主要内容

1. 4 本文创新点

第2章 数学模型与数值方法

2. 1 数学模型

2. 2 数值方法

2. 3 流固耦合实现方法

2. 4 本章小结

第3章 二维数值波浪水池的构建与研究

3. 1 规则波理论

3. 2 二维数值波浪水池

3. 3 粘性影响研究

3. 4 本章小结

第4章 聚焦极限波浪的模拟与研究

4. 1 聚焦波理论

4. 2 聚焦波的数值模拟

4. 3 生成聚焦波的方法探讨

4. 4 本章小结

第5章 聚焦波与浮体的相互作用

5. 1基本理论及假设

5. 2 数值模型

5. 3 计算结果及分析

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