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内波生成机理及二维内波数值水槽模型研究

徐鑫哲  
【摘要】:海洋蕴藏着丰富的矿物、油气、水产等资源。随着全球经济的快速发展,各国越来越关注海洋资源的开发。随着海洋资源开发技术的日益发展,海洋工程结构物也日益向大型化方向发展,而且所处的环境条件也变得日益恶劣。海洋内波就是影响海洋开发的主要环境灾害之一。近年来内波的生成机理及其对结构物的影响这一研究方向已成为目前国内外研究的前沿性课题,具有重要的学术意义和实际应用价值。 在回顾和总结了目前国内外内波领域研究进展的基础上,本文针对内波的数值模拟及其对刚性立柱的作用问题,进行了如下几方面的工作: (1)从势流理论出发,建立了具有密度突变的两层不可压缩理想流体界面内波的数学模型,得到了一阶近似下内波的线性波解以及二维非线性自由长内波的Kdv方程的孤立波解和椭圆余弦波解。在此内波数学模型基础上,通过对传统的平板拍击式造波方法进行改进,应用FLUENT软件的有限体积法,采用k-ε两方程湍流模型封闭RANS方程作为求解控制方程,建立二维数值内波水槽。通过对造波系统造波特性进行分析,得到造波能力最大条件下造波系统的尺度,并对两层模式下周期内波与内孤立波波场进行分析,考察分层流体的环境参数如流体的深度比、流体的密度比等对密度分层界面上内波波态的影响,将模拟结果与内波场理论解进行比较,以验证所建立的内波数值水槽的正确性。 (2)基于所建立二维内波数值水槽,将分层流体中产生的周期性内波和内孤立波作用于刚性立柱,研究内波与刚性立柱的相互作用,建立内波对刚性立柱作用的三维数值模型,分别对刚性立柱在周期性内波和内孤立波作用下的流场特性和受力特性进行了数值模拟与分析,进一步验证了内波数值水槽的可行性。 (3)考虑到在物理内波实验中快速稳定地制取分层流体是实验的前提和关键,本文基于异重流原理以及典型的开闸式异重流现象,对分层流体的制取过程进行了数值模拟和物理实验初步研究,为内波物理试验提供了一定参考。 本文模拟得到的结果有待于进一步的完善,为此,提出以后的研究方向,期待能得到更好成果。


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