聚焦波与水流及结构物作用的数值模拟

发布时间：2020-10-26 02:12

　　 在复杂的海洋环境中,海船和海洋工程结构有可能要承受实际海况下强非线性波浪的作用。聚焦波浪(也称极值波浪、畸形波和巨波)作为一种强非线性波浪,具有波高极大,能量很集中,破坏力极强的特点。 本文采用一个基于时域高阶边界元方法的二维完全非线性数值水槽模型对聚焦波浪、水流与结构物相互作用问题进行了数值模拟研究工作。基于势流理论,采用混合欧拉-拉格朗日方法追踪流体瞬时水面,运用四阶Runge-Kutta方法更新下一时间步的波面和速度势。考虑推板式造波机做正弦运动使得不同频率的波分量叠加在特定的时间和位置从而形成聚焦波。 本文首先通过在完全非线性自由水面条件中引入水流项来开展各种工况下聚焦波流场的数值模拟研究,并与数值结果和实验结果进行对比,检验所建立的数学模型及所使用的数值方法的准确性。并进一步研究了水流对聚焦波的影响规律,包括对聚焦波浪峰值的影响,聚焦位置和聚焦时间的影响等等。其他重要的参数例如：流向、流速、波幅以及频率带宽也进行讨论。通过快速傅立叶变换(FFT)给出了波浪聚焦和解焦过程中能量谱的演变,得出水流对聚焦波浪特性影响规律的内在原因,特别研究了强反向水流对高频波分量的阻塞作用。接着对聚焦波浪与海洋工程结构物的相互作用问题进行了数值模拟,研究了不同波浪幅值、频率宽度、结构物位置等条件下聚焦波浪对直墙上的压力分布以及波浪爬高的影响规律；研究了固定箱体不同吃水深度、宽度以及摆放位置时的波浪形态以及作用力效果。最后对聚焦波和水流混合与潜体的相互作用进行了数值模拟,研究了流向和流速对波浪传播特性以及作用在潜体上极值荷载的影响规律。这些工作将有助于对复杂海洋环境的深入了解,为工程结构安全性建设提供参考。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2013
【中图分类】：P731.22
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 研究的背景与意义
    1.2 聚焦波与水流及结构物作用研究进展
    1.3 本文的研究工作
2 基本理论及数值模型
    2.1 控制方程、边界条件和初始条件
        2.1.1 控制方程
        2.1.2 边界条件
        2.1.3 初始条件
    2.2 时域高阶边界元方法
        2.2.1 边界积分方程的建立
        2.2.2 边界积分方程的离散
        2.2.3 时间积分过程
        2.2.4 波浪荷载的计算
        2.2.5 网格重新划分
    2.3 本章小结
3 水流对聚焦波特性影响的数值模拟研究
    3.1 模型验证
        3.1.1 单色波与水流相互作用的数值模拟
        3.1.2 聚焦波在纯浪情况下的数值模拟
        3.1.3 聚焦波与水流相互作用的数值模拟
    3.2 水流对聚焦波特性影响的数值分析
        3.2.1 聚焦波的传播变形
        3.2.2 聚焦波峰值的影响
        3.2.3 聚焦时刻和聚焦位置的影响
        3.2.4 波峰聚焦与波谷聚焦
        3.2.5 波流间的能量交换
    3.3 本章小结
4 聚焦波浪与水流及结构物作用的数值模拟研究
    4.1 聚焦波与直墙作用的数值模拟研究
        4.1.1 单色波与直墙作用的模型验证
        4.1.2 聚焦波与直墙作用的模型验证
        4.1.3 聚焦波浪爬高及波面参数
        4.1.4 聚焦波对直墙作用力的分析比较
        4.1.5 直墙不同摆放位置的影响分析
    4.2 聚焦波与固定箱体作用的数值模拟研究
        4.2.1 箱体不同位置的影响
        4.2.2 箱体不同吃水深度的影响
        4.2.3 箱体不同宽度的影响
    4.3 聚焦波与水流混合与潜体相互作用的数值模拟研究
        4.3.1 双色波与水流混合与潜体相互作用
        4.3.2 聚焦波与水流混合与潜体相互作用
    4.4 本章小结
结论
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

【参考文献】

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本文编号：2856334