波浪与带窄缝箱体系统作用的非线性数值模拟

摘要

为了有效利用海洋空间资源，超大型浮体在海洋工程得到应用。为了方便制造、运输以及安装，大型浮式结构物都由若干模块组成，各个模块之间并不是无缝连接，大都存在相对模块特征长度很小的窄缝。除此之外，各种船舶进行海上联合作业时，船体之间也会有缝隙存在。缝隙内的水体在某些频率波浪作用下会发生共振现象，诱发很大的波浪爬高和荷载，进而对海洋结构的作业安全带来很大的影响。窄缝内强烈的水体运动也会影响结构前的反射波高以及透过结构物的透射波高。实际海域的环境很复杂，除一般常见的规则波外，还有可能出现极值波浪。为了方便有效地研究此种波浪，可以将其近似为只有单一波峰，周期无限大的孤立波。孤立波含有惊人的能量，破坏力极大，对海洋结构物的安全产生巨大的危害。因此，研究规则波和孤立波与带窄缝箱体系统相互作用问题有很重要的意义。
　　本文基于势流理论，应用高阶边界元方法建立了完全非线性二维数值水槽模型，模拟波浪与带窄缝固定箱体系统相互作用问题。采用源造波法生成规则波，推板方法生成孤立波。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，并且在窄缝内布置人工阻尼模拟由涡旋脱落和流动分离引起的粘性耗散。对瞬时自由表面流体质点采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪，采用四阶Runge-Kutta法对下一时间步的波面升高和自由表面速度势进行更新。采用加速度式法求解结构物体表面速度势对时间的偏导数，对瞬时物体湿表面上的水动力压强积分得到作用在物体上的波浪力。
　　本文首先针对规则波与带窄缝两箱和三箱系统相互作用问题进行了模拟研究，重点分析了窄缝内对应的共振频率和波高，以及箱体的受力情况。针对孤立波与直墙相互作用问题，统计了孤立波在直墙上的爬高以及施加在直墙上的水平波浪力，通过与已发表的实验结果及数值结果进行对比，验证模型模拟规则波与带窄缝箱体系统相互作用问题以及孤立波与结构物相互作用问题的正确性。然后考虑了箱体数量对箱体间窄缝内水体共振频率，共振波高，结构物迎浪侧和背浪侧波高以及箱体波浪力的影响规律;超大型浮体是否开孔及孔隙数量对系统水动力的影响规律;最后模拟了双孤立波与带窄缝双箱体相互作用问题，着重研究了箱体尺寸，入射波高和两波时间间隔对结构物两侧波高以及受力的影响规律。

目录

声明

摘要

1．绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 研究现状

1．2．1 规则波与带窄缝浮体相互作用

1．2．2 孤立波与结构物相互作用

1．3 本文主要研究工作

2 基本理论与数值方法

2．1 控制方程及自由水面条件

2．1．1 规则波

2．1．2 孤立波

2．2 固体边界条件及初始边界条件

2．3 时域高阶边界元

2．4 四阶Runge-Kutta法

2．5 波浪力求解

2．6 小结

3 规则波与带窄缝多箱体系统作用研究

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 箱体数量对水动力的影响

3．2．1 共振频率和共振波高

3．2．2 波浪力

3．3 小结

4 窄缝数量及位置对系统水动力的影响研究

4．1 模型验证

4．2 多箱体系统与单个箱体的对比

4．3 多箱体系统与超大单箱体的对比

4．4 小结

5 孤立波与带窄缝双箱相互作用模拟研究

5．1 模型验证

5．2 单孤立波与系统作用

5．3 双孤立波与系统作用

5．4 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