完全非线性波作用下海洋结构物的载荷与响应

发布时间：2017-09-28 00:04

  本文关键词：完全非线性波作用下海洋结构物的载荷与响应

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【摘要】：随着海洋工程向深海发展,海洋结构物所处的海洋环境更趋恶劣,面对波浪爬升、相对运动和上浪等流体强非线性冲击现象更加频繁,这些都会对海洋结构物产生很大的局部冲击破坏载荷。因此,基于摄动法将波浪近似成线性、二阶以及更高阶的处理方法已经不能满足当今海洋工程领域的需求,完全非线性数值波浪水池的构建与应用成为了新的热点课题。本文基于粘流理论、流固耦合理论和自由液面追踪技术——VOF(Volume of Fluid)法,以不可压缩流体的连续方程和N-S方程及结构动力学方程为基本控制方程,采用完全非线性自由液面条件和物面条件,建立了波浪与三维结构物相互作用的完全非线性数值模型,就完全非线性波与海洋结构物的相互作用问题主要开展了以下工作:1)围绕数值波浪水池研究、非线性波浪与结构物相互作用研究以及非线性波浪与弹性结构物相互作用研究三个方面,对国内外的波物相互作用课题研究现状作了较为全面的综述。2)基于粘流理论,建立了波浪与结构相互作用的流固耦合数学模型,包括不可压缩流体的连续方程和N-S方程及结构动力学方程,完全非线性自由液面条件和物面条件,并提出相应数值解法。3)以商业软件ANSYS14.5中的FLUENT模块为平台,通过程序接口加载UDF程序进行二次开发,采用设置速度入口造波方法和阻尼消波方法,建立了二维粘性数值波浪水池,并进一步扩展到三维。通过Stokes三阶波的模拟,与波浪的理论解进行了对比分析,结果表明波浪数值水池具有良好的造波和消波功能。4)数值模拟了二维固定结构物上浪问题,将得到的上浪水位高度值与文献中的试验结果相比对,验证了本文提出方法的可行性及正确性。5)建立了二维浮式结构物与波浪相互作用的完全非线性数值模型,探究了不同波浪要素和不同干舷高度对结构物运动响应和上浪情况的影响。在此基础上进一步研究了三维固定形式结构物和自由浮动结构物与完全非线性波的相互作用,得到了上浪水位高度和冲击载荷等重要参数,分析了甲板上浪机理,重现了甲板上浪的完整过程。6)进一步研究了弹性浮体与波浪的耦合作用,对弹性浮体的应力应变值进行了分析,观察了不同时刻弹性体在波浪中的姿态,分析了较容易发生应力应变集中的位置。
【关键词】：数值水池 完全非线性波 流固耦合 甲板上浪 弹性浮体
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U661
【目录】：

• 摘要6-7
• Abstract7-13
• 第1章 绪论13-25
• 1.1 课题研究背景及意义13-15
• 1.2 国内外研究现状综述15-23
• 1.2.1 数值波浪水池的研究15-18
• 1.2.2 非线性波浪与结构物相互作用研究进展18-22
• 1.2.3 非线性波浪与弹性结构物相互作用研究进展22
• 1.2.4 尚需开展的工作22-23
• 1.3 本文主要内容23
• 1.4 本文创新点23-25
• 第2章 波浪与结构耦合作用理论及数值方法25-39
• 2.1 物理模型26-29
• 2.1.1 流体运动控制方程26-27
• 2.1.2 结构运动控制方程27-28
• 2.1.3 边界条件和初始条件28-29
• 2.2 数值求解29-35
• 2.2.1 求解域的离散29-30
• 2.2.2 方程的离散形式30-32
• 2.2.3 有限体积法离散方程的求解32-35
• 2.2.4 自由液面的跟踪方法35
• 2.3 流固耦合实现方法35-37
• 2.3.1 双向流固耦合流程35-37
• 2.3.2 流固耦合系统中的有限元方程37
• 2.4 本章小结37-39
• 第3章 基于粘流理论的波浪的数值模拟39-51
• 3.1 波浪理论39-42
• 3.1.1 线性波理论39-40
• 3.1.2 非线性波理论40-42
• 3.2 二维粘流数值波浪水池42-47
• 3.2.1 数值模型42-43
• 3.2.2 消波设置43
• 3.2.3 计算结果及分析43-47
• 3.3 三维粘流数值波浪水池47-50
• 3.3.1 数值模型和边界条件设置47-48
• 3.3.2 计算结果与分析48-50
• 3.4 本章小结50-51
• 第4章 二维浮式结构与波浪完全非线性相互作用51-63
• 4.1 流固耦合实现过程51
• 4.2 二维甲板上浪验证实例51-53
• 4.2.1 计算模型说明52
• 4.2.2 计算结果52-53
• 4.3 浮式结构物与完全非线性波相互作用数值模拟53-62
• 4.3.1 计算模型说明53-56
• 4.3.2 波浪要素的影响分析56-60
• 4.3.3 浮体干舷高度的影响分析60-61
• 4.3.4 浮体与非线性波浪的相互作用61-62
• 4.4 本章小结62-63
• 第5章 三维浮式结构物与波浪完全非线性相互作用63-79
• 5.1 固定结构甲板上浪数值模拟63-70
• 5.1.1 计算模型说明63-65
• 5.1.2 计算结果及分析65-70
• 5.2 浮动结构物与波浪的相互作用70-73
• 5.2.1 几何模型70
• 5.2.2 坐标系70-72
• 5.2.3 计算结果及分析72-73
• 5.3 弹性浮式结构物与波浪的相互作用73-78
• 5.3.1 几何模型73-74
• 5.3.2 计算结果及分析74-78
• 5.4 本章小结78-79
• 第6章 总结与展望79-81
• 6.1 总结79-80
• 6.2 展望80-81
• 参考文献81-87
• 攻读学位期间发表的学术论文87-89
• 致谢89-90

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前3条

1 吴乘胜;朱德祥;顾民;;数值波浪水池及顶浪中船舶水动力计算[J];船舶力学;2008年02期

2 宋帅;尤云祥;魏岗;;孤立波与直墙式多孔介质结构相互作用数值分析[J];海洋工程;2007年04期

3 管陈;董国祥;金允龙;;三维数值波浪水池造波技术研究[J];上海船舶运输科学研究所学报;2013年02期

中国博士学位论文全文数据库 前2条

1 朱海荣;船舶与海洋结构物运动的三维时域方法及应用[D];上海交通大学;2009年

2 周斌珍;开敞水域完全非线性数值波浪模型的建立及在平台Ringing现象中的应用[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

1 孙哲;二维数值波浪水池研究[D];哈尔滨工程大学;2012年

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本文编号：932645