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分层流中三维内孤立波与潜体相互作用的数值模拟研究

李国迎  
【摘要】:随着海洋资源的不断开发及海洋科学研究的不断深入,海洋内波的复杂动力问题倍受关注。内孤立波是一种高频的海洋内波,振幅大,周期短的非线性内波,其传播是单方向的,且速度和波形在传播过程中基本保持不变。内孤立波所携带的巨大能量会导致异常强大的流速,这对水下潜体、石油钻井平台和海底管道等结构物都会造成严重的威胁。由于目前内孤立波对结构物作用的文献资料尚少,故研究这一问题具有重要的意义。 本文利用CFD数值模拟方法研究海洋内孤立波与水中潜体的相互作用问题。首先较系统地回顾和总结国内外研究内波工作,并简要介绍计算流体力学以及数值造波水槽的基础理论与研究方法。其次基于KdV理论与Navier-Stokes控制方程,通过对CFD软件功能模块的二次开发,采用VOF界面追踪技术,利用设置边界造波方法和数值耗散消波法,建立起两层流中三维内孤立波数值水槽,可以有效模拟上凸型和下凹型内孤立波的传播与演变。然后进一步有效地模拟分析内孤立波与潜体的相互作用问题。 本文的主要创新点及主要成果如下: (1)利用设置边界数值造波方法,成功建立了两层流中三维内孤立波数值水槽,分析了上凸型和下凹型内孤波的传播与演变中流场内部结构的分布特性。 (2)成功模拟了三维上凸型和下凹型内孤立波对固定潜体的作用,分析潜体在不同深度时所受载荷的变化及流场分布变化规律,对比分析上凸型和下凹型内孤立波对潜体的波浪力作用的差异,且发现潜体处于内孤立波波谷或波峰间时波浪力作用最为严重。 (3)通过对比三维模型与二维模型的数值模拟结果表明,两者存在明显的差异;三维模型可以更真实地模拟内孤立波对潜体产生重要的载荷,而二维模型存在较大的简化限制和合理性不足等问题。 研究表明,利用CFD数值方法模拟分层流中三维内孤立波与潜体的相互作用问题,取得了较好的研究结果,对人类在陆架边缘海域的资源开发和军事活动具有十分重要的工程实际意义。


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