两层流中波浪与二维结构相互作用的频域模拟

摘要

海洋内波分布范围广、形式多样，其研究具有重要的工程价值和学术价值。在开发海洋资源的同时，海洋分层效应已越来越成为不可忽略的重要因素。本文基于两层流体的简化模型，对层化海洋环境下二维结构物的水动力特性进行了数值模拟研究。
　　为了可以推广到研究复杂海洋结构，采用外域级数展开和内域边界元数值方法相结合的手段建立了频域数学模型，在外域和内域交界的辐射面上利用连续性条件建立联立方程组。边界元方法可以将问题降维处理，只需要在域表面划分网格，减少了计算量。同时内域计算采用Rankine源作为格林函数，既避免了求解复杂的格林函数，又可直接获得自由水面及内界面上的速度势。外域采用级数展开的解析式表达，将辐射面上速度势的求解转化为求解解析式中的待定系数。经过与级数展开的解析方法对比，以及两层流中波能流守恒的验证，证明了本文建立的这一联合数值模型的正确性。
　　为了研究两层流中存在结构物时表面波模态和内波模态波浪的转化情况，定义了两层流中各模态波浪的反射和透射系数，利用这一数值模型通过计算反射系数和透射系数的变化情况，分析了两层流中结构物的反射和透射特性。研究了上下层密度比、水深比等层化参数对反、透射系数的影响。发现两层流体密度差小时，内界面很容易受到扰动产生大幅振动。计算并分析了两层流中结构物的附加质量和辐射阻尼，给出了结构物作强迫振荡时，自由水面和内界面的波面升高情况。最后，分析研究了结构物分别在表面波模态和内波模态波浪入射时的运动响应问题。研究发现，两层流中内波模态波浪入射时，结构物运动响应受层化参数变化的影响较明显。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究的背景及意义

1．2 海洋内波研究现状

1．3 本文主要研究工作

2 两层流模型基本理论

2．1 基本假定和计算域

2．2 入射速度势

2．3 色散关系

2．4 两层流中速度场

2．5 两层流波能量和波能流

2．5 本章小结

3 两层流中波浪与结构物相互作用的数学模型

3．1 控制方程与边界条件

3．2 外域速度势及辐射面边界条件

3．3 内域边界积分方程

3．3．1 内域边界积分方程的建立

3．3．2 内域边界积分方程的离散

3．4 两层流体中结构物运动响应

3．6 本章小结

4 两层流中浮式结构的反射和透射特性

4．1 模型的验证

4．1．1 网格的划分与收敛性验证

4．1．2 波浪激振力与解析解的对比

4．1．3 能量守恒关系验证

4．2 两层流中反射透射系数特性

4．2．1 两层流中反射透射系数的定义

4．2．2 上下层密度比对反透射系数的影响

4．2．3 上下层水深比对反透射系数的影响

4．2．4 总水深对反透射系数的影响

4．2．5 结构物半宽对反透射系数的影响

4．3 两层流中结构物倒角对反透射系数的影响

4．4 小结

5 两层流中结构的水动力特性和运动响应分析

5．1 附加质量和辐射阻尼

5．2 两层流中物体强迫振动下的波面升高

5．3 两层流中物体运动响应

5．3．1 上下层密度比对运动响应的影响

5．3．2 上下层水深比对运动响应的影响

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位论文期间发表学术论文情况

致谢

大连理工大学学位论文版权使用授权书