二维浸没柱体与非线性波浪的相互作用研究

发布时间：2020-07-22 23:37

【摘要】：自由面效应和结构物在自由面附近的运动是水动力学研究的重点与难点,也是船舶与海洋工程领域需要着重考虑的问题。海洋工程中的很多操作都需要考虑自由面效应和波浪的影响,例如海洋平台和船舶在风浪中的运动,水下航行器、机器人的布放和回收以及潜艇在近水面的定深航行、紧急上浮或者发射导弹等。因此,研究海洋结构物在自由面附近的运动,分析风浪等因素对结构物运动的影响是很有必要的。本文研究二维简单结构物在自由面附近的运动和兴波问题,包括浅水域中浸没椭圆柱的匀速运动以及浸没柱体与非线性波浪的耦合运动,分析浸没柱体匀速运动的兴波和波物耦合作用时波浪对于柱体运动姿态的影响。忽略流体的粘性与可压缩性,引进速度势来描述流场,在自由面和物体表面施加非线性边界条件,采用边界元方法(BEM)求解边界值问题,采用时间步进方法更新自由面,利用辅助函数法计算波浪载荷。同时为了数值计算的稳定性,采用阻尼消波消除远方的波浪,避免波浪反射。本文首先模拟了二维浸没椭圆柱体在浅水中以恒定水平速度运动产生连续孤立波的问题,通过自身的收敛性分析验证了本文数值程序的可靠性,详细描述了孤立波产生与发展的全过程,分析了孤立波中流体质点的运动规律,探讨了椭圆柱的形状和运动速度对孤立波波形的影响。利用已生成的孤立波模拟了相同以及不同孤立波之间的对向碰撞问题,描述了碰撞过程中波形的变化和流场的特点。研究表明,孤立波的传播与碰撞的实质是波浪能量的传播过程以及动能与势能之间的平衡和相互转化过程。结构物在自由面附近运动时会受到自由面上风、浪、流等因素的影响,在浅水域中还会受底部壁面的影响。基于边界元方法建立二维浸没圆柱与波浪耦合运动的数值模型,模拟了圆柱在波浪影响下的运动过程,分别分析了深水波浪和浅水波浪对圆柱运动的影响,接着分析了波长、波幅、圆柱初始运动状态以及水深等因素对圆柱运动的影响。最后利用之前的研究成果,模拟了二维浸没圆柱与连续孤立波的耦合运动,分析了孤立波与Stokes波对圆柱运动状态的不同影响。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P75;TV139.2
【图文】：

示意图,孤立波,示意图,椭圆柱

哈尔滨工程大学硕士学位论文逡逑３．邋２数学模型逡逑如图３．１所示，二维椭圆柱以速度《在水深为Ｊ的浅水中匀速向前运动。椭圆柱的逡逑长、短轴半径分别为ａ，潜深表示椭圆柱中心距离初始静止自由面的距离。与船逡逑舶水动力学中的随体坐标系相似，坐标系ｘｏｚ以速度ｗ随椭圆柱向前移动，其中ｘ轴与逡逑椭圆柱运动方向相同且与未受扰动时的自由面重合，ｚ轴垂直向上。图中＆为椭圆柱表逡逑面，＼为瞬时自由面，＊＾、＆以及＼分别为左右两侧边界以及底部边界。逡逑Ｓ－邋ｄ逦ＳＥ逡逑ｓＢ邋ｕ逡逑ＳＤ逡逑图３．１连续孤立波生成示意图逡逑３．邋３程序验证逡逑基于第二章的理论，本人编写了用于模拟二维沉浸结构物匀速运动的程序。程序的逡逑可靠性验证是研宄工作的基础，只有证明了程序的正确性才能进行下一步工作，后续的逡逑计算结果才有意义。本节通过与前人结果的对比和数值模拟的收敛性分析来验证数值程逡逑序的可靠性。逡逑３．３．邋１程序的可靠性验证逡逑沉浸圆柱的辐射问题是水动力学中的经典问题，许多学者都对这一现象进行了深入逡逑探讨。Ｓｃｕｌｌｅｎ和ＴｕｃｋＷ采用某种迭代算法研宄浸深不变的二维圆柱以恒定水平速度移动逡逑引起的兴波问题

曲线,阻力,时间步长,曲线

图３．３邋ａ／Ｚ＾Ｏ．２，ｗ／＾邋＝邋１．２时自由面的波形逡逑值模拟的收敛性验证逡逑通过数值模拟结果的收敛性分析进一步验证程序的正确性，包括自算时间步长的收敛性验证。逡逑为水深傅汝德数，Ａ／是自由面上最小网格间距为，椭圆＝说，时间步长控制参数ｓ邋＝邋０．５ＷＡ／／ｆｌ，即时间步长Ａ／内的水平位移比值，则计算的时间步长Ａｆ邋＝邋２６＊ａ／ｗ。逡逑１９逡逑

波形,自由面形,网格间距,间步

哈尔滨工程大学硕士学位论文逡逑别进行网格与时间步长的收敛性分析。选取长短轴半径分别为＝２ｗ的二维椭圆柱，其余参数：尸？＝１．０，ｃ／／ａ邋＝邋２．０，／？／0邋＝邋１．０。网格收敛性择Ａ／＝邋０．１，０．２，０．３，０．４邋，邋０．５ｗ，时间步长收敛性分析分别选取ｓ邋＝邋０．０１０邋，邋０．，邋０．０２５。图３．４与图３．５分别是不同网格与时间步长下ｓ邋＝邋６００0时孤立波的到，不同网格与时间步长下的孤立波波形吻合很好，进一步说明了本文程序并且，随着网格间距与时间步长的减小，不同曲线之间的差距变小，表明计收敛。为了兼顾计算的精度与效率，如无特殊说明，本章后续计算中自由面距与时间步长控制参数统一选取Ａ／邋＝邋０．３０ｗ与ｆ邋＝邋０．０１５。逡逑°－８逦＝

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