基于SPH的波浪与多道浮式防波堤耦合水动力分析方法研究

发布时间：2020-11-11 03:07

　　 浮式防波堤作为一种保护离岸作业设备以及岛屿岸滩免受波浪侵蚀的工程结构,已经得到了广泛的应用。虽然有很多学者专注于浮式防波堤的研究,但是面对长周期波浪消波效果较差的特点,依然未有有效地解决方案。应用成熟的商业化有限元软件进行数值模拟固然有一定的可靠性,却因有限元方法对粘性条件下波浪砰击破碎现象求解精度的不足,导致研究结果与实际工程情况存在一定的偏差。针对目前有关浮式防波堤研究中存在的上述两点不足,本文的主要研究内容如下:1.对近年来有关浮式防波堤的国内外研究成果进行总结,归纳、分析目前的研究重点及不足之处并提出本文的研究内容。2.采用基于粘性流理论的光滑粒子流体动力(SPH)法作为求解工具建立数值模型,通过收敛性分析,对SPH方法中影响求解精度的各项参数进行最优化选取,并对SPH方法中的不足之处进行改善,确保程序运算的可靠性。通过在数值波浪水槽尾端添加压力消波层,有效消除反射波对数值模拟结果的影响。最后与理论值对比,验证本文采用的SPH数值波浪水槽精度满足要求3.针对SPH程序中锚链力的缺失,本文基于锚链力集中质量法分析方法,结合SPH法的粒子化特性,提出一种适用于SPH的动态锚链力计算方法,实现对浮式结构物的锚固作用。并通过与试验结果时历曲线图的对比,验证本方法的可靠性。4.针对单道浮式防波堤对长周期波浪消波效果不理想的特点,提出应用双道浮式防波堤及双体浮式防波堤进行消波的方法,并通过数值模拟在相同工况条件下对两者的透射系数、横荡幅值、垂荡幅值及横摇响应进行了系统的对比研究,得到不同的入射波高、波浪周期、浮体间距与防波堤水动力性能之间的关系。通过在不同间距情况下,对双道浮式防波堤与双体浮式防波堤透射系数及运动响应幅值的对比分析,得到在不同工况下浮体间距与防波堤水动力性能之间的关系。结果表明,在长周期波浪条件下,双体浮式防波堤对波浪的阻挡效果更加明显,其透射系数更小。这对应用多道浮式防波堤消减长周期波浪的应用具有一定的指导意义。
【学位单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：U656.2
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究进展
        1.2.1 传统数值模拟方法研究进展
        1.2.2 多浮体耦合水动力分析方法研究进展
        1.2.3 试验研究进展
        1.2.4 工程实例研究进展
        1.2.5 SPH方法在浮式防波堤方面的应用
        1.2.6 国内外研究现状小结
    1.3 本文研究的主要内容及创新点
第2章 基于SPH的波浪演化数值模型优化
    2.1 引言
    2.2 SPH的基本原理
        2.2.1 积分近似与粒子近似
        2.2.2 光滑函数
    2.3 SPH流体动力学方程
        2.3.1 连续性方程的粒子近似法
        2.3.2 动量方程的粒子近似法
        2.3.3 能量方程的粒子近似法
    2.4 SPH数值计算收敛性分析
        2.4.1 光滑长度
        2.4.2 粘性计算
        2.4.3 人工压缩率与声速
        2.4.4 粒子的相互作用
        2.4.5 边界处理
        2.4.6 算法修正
        2.4.7 时间积分
    2.5 SPH高精度数值波浪水槽的建立
        2.5.1 推板造波
        2.5.2 黎曼算法
        2.5.3 消波层设置
        2.5.4 数值波浪水槽的验证
    2.6 本章小结
第3章 基于集中质量法的SPH动态锚链力分析方法
    3.1 引言
    3.2 基于集中质量法的锚链力动力分析
        3.2.1 受力分析
        3.2.2 阻尼力的求解
        3.2.3 运动方程
    3.3 基于SPH的锚链与浮体耦合数值模型
        3.3.1 SPH方法中浮体的运动响应
        3.3.2 锚链节点力的计算
        3.3.3 锚链节点运动响应的求解
        3.3.4 限制条件的设定
    3.4 数值模型的验证
    3.5 本章小结
第4章 双道浮式防波堤消波机理及波浪演化规律研究
    4.1 引言
    4.2 双道浮式防波堤水动力性能数值模拟
        4.2.1 模型设计
        4.2.2 工况选取
    4.3 SPH方法中数值结果的测定
        4.3.1 波浪值的读取
        4.3.2 数据结果的分析
        4.3.3 浮式结构物运动响应的测定
    4.4 双道浮式防波堤透射系数分析
        4.4.1 浮式防波堤间距对透射系数的影响
        4.4.2 入射波周期对双道浮式防波堤透射系数的影响
    4.5 双道浮式防波堤运动响应分析
        4.5.1 间距对双道浮式防波堤运动响应的影响
        4.5.2 入射波周期对双道浮式防波堤运动响应的影响
    4.6 本章小结
第5章 双体浮式防波堤消波机理及波浪演化规律研究
    5.1 引言
    5.2 双体浮式防波堤SPH数值模型
        5.2.1 模型设计
        5.2.2 工况选取
    5.3 双体浮式防波堤透射系数分析
        5.3.1 间距对双体浮式防波堤透射系数的影响
        5.3.2 入射波周期对双体浮式防波堤透射系数的影响
    5.4 双体浮式防波堤运动响应分析
        5.4.1 间距对双体浮式防波堤运动响应的影响
        5.4.2 入射波周期对双体浮式防波堤运动响应的影响
    5.5 本章小结
第6章 总结与展望
    6.1 全文总结
    6.2 研究展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表的学术论文
致谢

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本文编号：2878661