扰动源生成的表面挠曲波和界面重力波的渐近解

发布时间：2020-10-23 01:03

　　 海洋资源的开发利用成为解决人类陆地资源缺乏问题的重要途径。随着开发地域由浅海向深海域的发展，开发资源的方式也有了更高的要求，对此专家们提出了超大型浮式结构物的技术概念。超大型浮式结构物不仅可以用于深海水域，而且更容易维护，适用范围比较广泛，成为当下海洋工程界和学术界研究的热门话题之一。 超大型浮式结构物是那些以公里计的海洋工程结构物，它在海洋环境中的弹性变形是不可忽略的，因此研究超大型浮式结构物与流体的相互作用时，必须考虑流固耦合问题，借用水弹性理论进行分析研究。另外海水的温度和盐度等会随着海水深度的不同而变化，出现密度跃层的现象，对此一般采用两层流模型进行模拟。 本文主要讨论受扰动影响的流体与超大型浮式结构物的相互作用后的水弹性响应问题，考虑两层流体系统和单层流体系统。两层流体系统中，在初始静止且无流速的流体内部置入一个扰动点(瞬间扰动或者周期扰动)，分析系统受到扰动后生成的表面波和界面波的波形演化过程；单层流体系统中，假设流体是匀速的，研究该系统在定常扰动点作用下的波形演化问题。在这两种系统中，通过是否考虑板的弹性以及流体的表面张力分别讨论了挠曲重力波和毛细重力波两种模态。本文采用的方法是基于势流理论(假设流体是无粘的、不可压缩的，流体的运动是无旋的)，和假设波动为小振幅波的条件下进行的。运用Fourier–Laplace变换求解波形解的积分表达形式；并借助驻相法和留数定理等方法将积分解转化为渐近解，从波形的渐近形式解出发，主要分析扰动源的位置、密度比值、扰动的频率、流体的流速对波形的影响。 本文具体工作和成果如下： 1)考虑了弹性板覆盖下的两层流系统受到瞬间质量源和作用于弹性板的外载荷力联合作用后的波形演化过程，并平行地考虑了挠曲重力波和毛细重力波。从线源扰动生成的挠曲重力波和毛细重力波的波形变化趋势图可以观察到，波动没有固定的周期和波长，随着观察者速度的增大，波幅将越来越小，直到趋向于零；分析挠曲重力波的表面波的波形演化可知，它包括短挠曲波(或者是毛细波)和长重力波两部分。 2)研究了有弹性板覆盖的有限深两层流中，流体和弹性板分别受到周期扰动和载荷作用后生成的波动演化过程，结果表明，生成的波动包括稳态部分和瞬态部分。瞬态波动在开始阶段会干扰整个波动的传播，随着时间的增长，最后将趋向于零。当固定上下层流体的深度后，稳态部分的波形解主要依赖于周期振动的频率以及外载荷力的频率的大小。随着时间的增长，稳态波动将占据整个波动区域。 3)讨论了有限深单层流体中，弹性板覆盖下的匀速流体受到二维的定常质量源扰动后生成的波动演化情况。结果表明，波动包括瞬态和稳态两部分。瞬态波动的群速度会随着弹性板的厚度、弹性模量以及流体的深度变化而发生相应的变化，通过观察群速度的对比图发现，板的惯性项是否存在对驻相点位置的影响度很小，可以忽略不计。瞬态波动的波形表达式依赖于Froude数;稳态部分的波动是根据流速与流体的最小相速度的大小关系来讨论的，通过观察其波形变化曲线发现，下游区的重力波和上游区挠曲波的波形具有不同的周期和振幅，且周期的大小和流速有关。 通过本文的工作，我们可以看出，不同类型的扰动源生成的波动具有不同的组成部分，挠曲重力波和毛细重力波的波动的性质可以平行考虑。另外，当流体流动时，流速对波动的影响是不可忽视的。
【学位单位】：上海大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2013
【中图分类】：P75;P731.2
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
    1.1 课题研究背景
        1.1.1 引言
        1.1.2 超大型浮式结构物的概念及应用
        1.1.3 水弹性的概念
    1.2 国内外研究概况
        1.2.1 浮式 VLFS 水弹性研究的一般方法
        1.2.2 单层流体的研究进展
        1.2.3 两层流体的研究进展
        1.2.4 多层流体的研究进展
    1.3 本文主要内容
第二章 无流速两层流体中瞬态源的作用
    2.1 引言
    2.2 数学模型
    2.3 波形的积分解
    2.4 波形的首项渐近解
    2.5 本章结论
第三章 无流速两层流体中脉动源的作用
    3.1 引言
    3.2 数学模型
    3.3 波形的积分解
    3.4 波形的首项渐近解
        3.4.1 稳态波形的首项渐近解
        3.4.2 瞬态波形的首项渐近解
    3.5 本章结论
第四章 单层匀速流体中定常源的作用
    4.1 引言
    4.2 数学模型
    4.3 波形的积分解
    4.4 波形的首项渐近解
        4.4.1 稳态波形的首项渐近解
        4.4.2 瞬态波形的首项渐近解
    4.5 本章结论
第五章 结论与展望
    5.1 总结和主要结论
    5.2 研究展望
参考文献
攻读学位期间主要的科研活动与成果
致谢

【参考文献】

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本文编号：2852340