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《大连理工大学》 2011年
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畸形波模拟及其与核电取水构筑物作用探究

刘赞强  
【摘要】:畸形波是一种波高巨大的灾害性波浪,对海岸及海上建筑物和船只具有强大的破坏性。由于畸形波发生的偶然性和不可预测性,实测资料非常有限,畸形波的研究还处于起步阶段,其发生机理和发生概率还不明确,因此需要对畸形波做深入的研究,以减少畸形波给人类带来的伤害。鉴于外海监测畸形波存在极大困难,实验室模拟成为研究畸形波相关特性的重要手段。 目前基于Longuet-Higgins模型是实验室模拟产生畸形波的有效手段和常用方法。为了克服已有模拟方法的不足,本文建立了一种数值模拟畸形波的相位调制新方法,该方法既能定点定时模拟生成畸形波,又可满足模拟波浪序列的统计特性与天然海浪的统计特性一致,还可使模拟波列的频率谱与目标谱吻合。基于该模型,探讨了畸形波特征参数和模拟效率的影响因素问题。经过模拟对比发现,高频向低频调制优于低频向高频调制,高频波浪对畸形波的形成具有极其重要的作用。采用高频向低频调制方式和本文所采用的组成波数范围内(50~100),畸形波波高、波峰高、畸形波波高与有效波高的比、畸形波波峰高与畸形波波高的比以及畸形波的模拟效率均随调制波数和谱宽度的增加而增大;在本文选取的谱峰周期范围内(8-16s),谱峰周期对畸形波的特征参数和模拟效率几乎没有影响。采用该方法模拟畸形波,建议截断频率取3.5-4倍的谱峰频率;若模拟一般畸形度的畸形波,组成波数可取50~70;若模拟畸形度较高的畸形波,组成波数可取70~100;全部调制;采用尝试法,根据模拟结果改变组成波数和调制波数。 应用该模型模拟了多个外海实测含有畸形波的波浪序列,模拟结果既满足了波浪序列的统计特性,又保持了原有目标谱的真实结构,模拟畸形波和实测畸形波吻合完好,验证了本文方法的有效性和适用性。其中,采用本文方法可以数值模拟出畸形波波高与有效波高的比达到3.14且畸形波波峰高与畸形波波高的比达到0.76的高畸形度的实测畸形波,模拟结果与实测畸形波吻合良好,较已有方法,本文方法具有较强的适用性;然而在物理模拟中由于波浪在聚焦点前发生破碎,未能模拟出该实测高畸形度畸形波。 本文研究了畸形波在随机波浪中生成与发展的演化过程。数值模拟结果和物理模拟结果均表明,在波浪聚焦点前后不超过半个特征波长的范围内均有一大波谷(海中之洞)形成;同时物理模拟发现,在聚焦点前后不超过一个特征波长的范围内,均有满足最大波高与有效波高之比大于等于2.0且最大波高的波峰高与最大波高之比大于等于0.65的畸形波形成;这些现象与目击者的描述和研究学者通过数值计算得出的结论是一致的。通过统计不同波况下畸形波的无因次生存时间(生存时间与谱峰周期之比)和无因次传播距离(传播距离与特征波长之比),发现两者具有很好的线性相关性,无因次生存时间大约是无因次传播距离的2.0倍;畸形波的生存时间约为2~10倍的谱峰周期,传播距离约为1~5倍的特征波长。 核电多建设在近岸以方便取排水,复杂地形变化和岸边界的作用可能在取水构筑物前形成畸形波。鉴于畸形波强大的破坏性,有必要对畸形波与核电取水构筑物的相互作用进行探索性的研究。本文借助一个工程实例,发现近岸海域波浪中有畸形波形成,为证明近岸畸形波的存在提供了有力证据。试验结果中发现,在直墙式取水构筑物迎浪侧有异常点压力发生,经分析发现该异常点压力是由近岸畸形波传播至取水构筑物并对构筑物冲击造成的。畸形波产生的最大点压力值可以达到常规随机波浪最大点压力值的2.28倍,水平总力可以达到2.51倍,可见畸形波能够产生比普通波浪强大的压力,可能对取水构筑物造成严重的破坏。若现行设计标准中取水构筑物波浪压强值是在没有畸形波情况下得到的,建议考虑可能存在畸形波作用的情况,将现行设计承压能力加大到2.5倍。对于取水构筑物底部,畸形波和常规随机波浪作用时,最大点压力差别不大,点压力分布曲线几乎一致。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:TV139.2

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【引证文献】
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 崔成;畸形波生成、演化及内部结构研究[D];大连理工大学;2013年
中国硕士学位论文全文数据库 前1条
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【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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中国博士学位论文全文数据库 前4条
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中国硕士学位论文全文数据库 前2条
1 黄国兴;畸形波的模拟方法及基本特性研究[D];大连理工大学;2002年
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【共引文献】
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中国重要会议论文全文数据库 前10条
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10 张锁平;张春田;;海浪波面形态方向的特征提取与分布[A];第六届全国信息获取与处理学术会议论文集(2)[C];2008年
中国博士学位论文全文数据库 前10条
1 刘首华;畸形波的海浪数值模拟研究[D];中国海洋大学;2010年
2 李文庆;VV-Ocean海洋环境仿真与海洋数据动态可视化系统的研究与实现[D];中国海洋大学;2011年
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中国硕士学位论文全文数据库 前10条
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【同被引文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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2 张运秋;张宁川;裴玉国;;畸形波数值模拟的一个有效模型[J];大连理工大学学报;2008年03期
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5 庞红犁,于定勇;极端瞬态波浪的特征分析[J];海岸工程;2001年04期
6 胡金鹏;张运秋;朱良生;;基于Benjamin-Feir不稳定性的畸形波模拟[J];华南理工大学学报(自然科学版);2009年06期
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8 裴玉国;张宁川;张运秋;;数值模拟生成畸形波的一种新方法[J];海洋通报;2007年02期
9 崔成;张宁川;裴玉国;;畸形波生成、演化过程研究——波面时间过程随位置的变化[J];海洋通报;2011年04期
10 杨冠声,董艳秋,陈学闯;畸形波(freak wave)[J];海洋工程;2002年04期
中国重要会议论文全文数据库 前1条
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中国博士学位论文全文数据库 前6条
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中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 黄国兴;畸形波的模拟方法及基本特性研究[D];大连理工大学;2002年
2 黄金刚;二维聚焦极限波浪的模拟研究[D];大连理工大学;2004年
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【二级参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
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9 杨冠声,董艳秋,陈学闯;畸形波对圆柱作用力计算的波形改造法[J];港工技术;2003年01期
10 高璞;汪留松;赵西增;;畸形波特性研究[J];中国港湾建设;2007年06期
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2 黄金刚;二维聚焦极限波浪的模拟研究[D];大连理工大学;2004年
3 刘晓霞;三维波浪场中畸形波的数值模拟[D];大连理工大学;2008年
4 肖鑫;畸形波作用下张力腿平台运动响应分析[D];大连理工大学;2009年
【相似文献】
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2 邢颖,张新海;含铁地下水取水构筑物进水面上的腐蚀与沉积[J];中国环境管理干部学院学报;2002年02期
3 王连来,于宗澍;盲沟排水在取水构筑物稳定设计中的应用[J];特种结构;2002年01期
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8 娄善良;;悬臂桥式取水构筑物在水库取水工程中的应用[J];给水排水;2006年07期
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1 高淑琴;戴长雷;;高寒区傍河浅薄含水层集中取水工程分析及涌水量计算[A];寒区水资源研究[C];2008年
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中国重要报纸全文数据库 前4条
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3 记者 翟立;市政设施抗震设防专项论证技术要点发布[N];中国建设报;2010年
4 李远霖;禹谟镇农村饮水安全工程让八千人安全饮水解“渴”忧[N];毕节日报;2011年
中国博士学位论文全文数据库 前1条
1 刘赞强;畸形波模拟及其与核电取水构筑物作用探究[D];大连理工大学;2011年
中国硕士学位论文全文数据库 前3条
1 张晓慧;基于供水管网优化调度的系统节能分析[D];太原理工大学;2012年
2 刘莉莉;宁夏农村饮水安全工程管网优化设计研究[D];宁夏大学;2013年
3 舒哲;辽东湾核电站取水建筑物动力响应及流场仿真分析[D];沈阳工业大学;2013年
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