极值波浪与毗邻双箱体作用的非线性数值模拟

摘要

随着对海洋领域开发的不断深入，大量的大型船舶和海洋平台应运而生，多个海洋工程结构物的并靠作业也日趋普遍，这种大型海上浮式结构都是由多部分的模块连接而成，相邻浮体之间均存在尺度很小的间隙，其间隙内形成的水体共振现象对海上作业安全造成的严重危害也逐渐引起了工程界和学术界的广泛关注。引起间隙内的水体发生共振现象具体体现在，当波浪频率接近间隙内水体的共振频率时，间隙内水体大幅度升高，进而影响结构物迎浪侧以及背浪侧的波浪爬高变化。实际的海洋自然条件具有复杂性，而深海环境较浅水和中等水深海域有着更为复杂和不确定因素，实际海上作业时也会遇到非线性作用极强的波浪。例如极值波浪（又称聚焦波、畸形波），这将对海上作业安全造成极大的威胁。规则波作为研究和分析其他波浪形式的基础，一直是研究工作的重点。因此，在研究规则波的基础上，进而开展深水环境下极值波浪对有间隙的相邻浮体作用问题很有意义。 窄缝内的粘性效应会引起能量耗散，实际的波高会比理论值偏小。所以传统的势流理论不能准确地预测窄缝内的波高值，本文应用一种改进的高阶边界元方法，在势流理论的基础上开展非线性数值模型实验，模拟规则波和深水条件下极值波浪对相邻两浮体作用的研究。应用域内源造波的方法产生波浪，同时极值波由波浪聚焦的形式生成，在水槽两端设置阻尼层消除波浪反射和透射，并在窄缝内引入人工阻尼项来等效水体的粘性耗散。自由表面满足完全非线性自由水面运动学和动力学边界条件，采用混合欧拉-拉格朗日方法对瞬时自由表面流体质点追踪。 本文首先针对规则波与毗邻双箱体相互作用的问题建立了完全非线性数值模型，主要研究了双箱体间窄缝水体共振下的非线性特性。通过数值模拟结果与实验数据的对比，验证了所建立的数值模型的准确性，在不同入射波高作用下，确定了不同入射波高对应的阻尼系数以及阻尼系数随入射波高的变化规律，进而通过开展数值实验分析得出波浪非线性特性对窄缝内共振波高及共振频率的影响，以及迎浪侧和背浪侧波高变化对比。然后针对深水条件下极值波作用于带窄缝固定双箱体问题进行了模拟研究，通过与已发表实验数据及数值结果的对比，验证了所建立的数值水槽模型的准确性。进而研究了波浪聚焦位置不同时窄缝中心、迎浪侧和背浪侧的波高变化，根据规则波得到的阻尼系数随入射波高的变化规律，分析得极值波作用下不同入射波高时窄缝中心共振波高的变化以及对迎浪侧和背浪侧波浪爬高的影响等。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 研究现状

1.2.1 规则波与海洋结构物相互作用研究

1.2.2 极值波特性及与结构物相互作用研究

1.3 本文的研究工作

2 基本理论与数值方法

2.1 数学模型

2.2 控制方程及边界条件

2.2.1 控制方程

2.2.2 自由水面边界条件

2.2.3 入射边界条件

2.2.4 出流边界条件

2.2.5 固体边界条件

2.2.6 初始条件

2.3 时域高阶边界元方法

2.3.1 边界积分方程的建立

2.3.2 积分方程的离散

2.3.3 时间积分过程——四阶Runge-Kutta 法

2.3.4 网格更新

2.4 本章小结

3 规则波与毗邻固定双箱体作用研究

3.1 模型验证

3.1.1 数值收敛性验证

3.1.2 模型准确性验证

3.2 入射波波高变化对窄缝内波浪爬高的影响

3.2.1 窄缝内流体粘性耗散规律

3.2.2 共振波高和共振频率

3.3 入射波波高变化对箱体两侧波浪爬高的影响

3.4 小结

4 极值波与相邻固定双箱体作用研究

4.1 模型验证

4.1.1 无双箱体时的模型验证

4.1.2 加入双箱后的模型验证

4.2 共振频率和共振波高

4.3 波浪聚焦位置的影响

4.4理论、实际聚焦位置和聚焦时间

4.5 聚焦波波高的影响

4.6 小结

结论

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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