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波浪、水流与结构物耦合作用的时域模拟

刘珍  
【摘要】: 海浪的传播过程中通常伴随着水流现象。波浪和水流共存时,它们间的相互作用将影响各自的传播特性。综合而形成的波流场并不是纯波动场与纯水流场的简单叠加,而是一个比较复杂的组合过程。。本文采用高阶边界元方法在时域内对波浪、水流与结构物相互作用问题进行了理论研究和数值模拟,重点研究了引入水流参数对单纯波浪作用下结构物水动力特性的影响。 利用时域方法直接求解非线性问题时,速度势和波面在未知的瞬时水面上满足非线性自由水面动力学和运动学边界条件,致使每个时间步内自由水面都需要更新,这样耗费很长的计算时间。本文采用摄动展开理论,在物体运动的初始位置和平均自由水面离散网格,从而大大提高了时域方法解决波、流与结构物相互作用问题的效率。 在势流理论假定下,本文分别研究了波浪、水流关于结构物的绕射和辐射作用问题。首先对建立的波、流与物体相互作用绕射模型进行验证,将直立圆柱的数值模拟结果与已发表的解析结果和频域结果对比,结果吻合良好。随后模拟了波、流与一个固定的四柱平台相互作用问题,模拟所得的数值结果与试验结果吻合良好,从而证实了固定物体与波、流相互作用模型的准确性。将模型延伸到波、流与浮动物体相互作用问题,通过漂浮半球的数值模拟结果与已发表的频域结果对比,结果吻合良好,证实了波、流与结构物相互作用辐射模型的准确性。接下来对水流和波浪作用下某坐底式三腿海洋平台所受的一阶激振力和迎浪侧波浪爬高进行了详细的数值模拟研究,重点研究了水流参数的引入对单纯波浪与结构物相互作用模拟结果的影响。进一步将模型延伸到系泊JIP Spar平台与波浪、水流相互作用模拟中,缆绳等系泊系统是强几何非线性结构,本文采用绷紧索系泊系统为研究对象,详细分析了不同参数的水流对缆绳力、平台水动力荷载以及运动响应等模拟结果的影响。最后,本论文开展了畸形波、水流与系泊JIP Spar平台相互作用问题研究,利用Jonswap谱来描述不规则波随机过程,对平台在畸形波和水流作用下的水动力特性进行了详细的模拟研究。


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1 刘珍;波浪、水流与结构物耦合作用的时域模拟[D];大连理工大学;2010年
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