浮冰在Stokes波作用下运动响应研究
发布时间：2021-04-19 06:14
基于斜滑理论、水波理论和耐波性理论,提出了可以快速预报小块浮冰在波浪作用下三自由度运动响应的计算方法;基于STAR-CCM+软件,采用VOF造波功能,建立三维Stokes波浪水槽,研究单块浮冰与Stokes波浪相互作用.计算结果与试验结果基本符合,验证了本文计算结果的有效性.基于此,研究了不同参数下浮冰运动响应幅值算子,包含波长、波高和冰厚等,并获得不同参数的影响规律.结果表明:正方形薄冰三个自由度的响应幅值算子曲线均随着相对波长的增加而逐渐趋近于1,而立方体浮冰的垂荡运动响应幅值算子曲线在相对波长接近8～9时发生了共振现象;浮冰的纵向漂移速度明显受到波高影响,与波高呈平方关系.
【文章来源】：华中科技大学学报(自然科学版). 2020,48(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
理论方法和数值模拟计算的纵向位移对比图2中理论方法预测的纵荡幅值明显大于数值
笥谑??计算结果．这可能是因为斜滑理论在计算中假设浮冰湿表面面积是保持不变的，如图3(a)所示，而真实情况下浮冰的湿表面面积在纵摇影响下会不断变化，且当浮冰发生越浪(overwash)[7]时，浮冰的湿表面面积会明显增大，如图3(b)所示．湿表面积的增大显著增加了浮冰的附加质量力和拖曳力，导致浮冰的纵荡幅值减小，低于理论预测值．另一方面，理论结果与理论模型中选取的mC，wC等参数有关系，这也是造成误差的另一可能原因[1]．图3浮冰运动到波峰位置时理论模型和数值模拟的对比图4和5分别给出了采用理论模型和数值模拟计算得到的升沉位移和纵摇角变化曲线．图4中Z为垂向位移．从图中可见：在数值计算中浮冰运动稳定后，数值计算结果和理论结果的周期几乎一致．对于升沉位移，理论结果的峰值略小于数值计算结果；对于纵摇角，理论结果精确对称，而数值计算结果相当于理论结果向下略有偏移．总体而言，理论结果和数值模拟的升沉位移和纵摇角符合较好，在误差允许条件下，可用理论结果近似预报浮冰这两个自由度的响应．图4理论方法和数值模拟计算的垂向位移对比曲线图5理论方法和数值模拟计算的纵摇角对比曲线4不同参数下浮冰运动响应变化规律4.1波长影响参照文献[5]的试验，本研究保持波陡不变，改变波长．为了观察波长变化对于海冰的影响，这里选择两种不同类型的海冰：一种是所述的正方形薄冰(30cm×30cm×5cm)，另一种是立方体冰(20cm×20cm×20cm)．正方形薄冰和立方体冰分别对应着薄的层冰分离出来的浮冰片和受挤压的厚冰(如破冰船挤压后的冰)分离出来的冰块，这在北极实际航行中是最常见的两种浮冰形式．设相对波长为
獾亩员?图4和5分别给出了采用理论模型和数值模拟计算得到的升沉位移和纵摇角变化曲线．图4中Z为垂向位移．从图中可见：在数值计算中浮冰运动稳定后，数值计算结果和理论结果的周期几乎一致．对于升沉位移，理论结果的峰值略小于数值计算结果；对于纵摇角，理论结果精确对称，而数值计算结果相当于理论结果向下略有偏移．总体而言，理论结果和数值模拟的升沉位移和纵摇角符合较好，在误差允许条件下，可用理论结果近似预报浮冰这两个自由度的响应．图4理论方法和数值模拟计算的垂向位移对比曲线图5理论方法和数值模拟计算的纵摇角对比曲线4不同参数下浮冰运动响应变化规律4.1波长影响参照文献[5]的试验，本研究保持波陡不变，改变波长．为了观察波长变化对于海冰的影响，这里选择两种不同类型的海冰：一种是所述的正方形薄冰(30cm×30cm×5cm)，另一种是立方体冰(20cm×20cm×20cm)．正方形薄冰和立方体冰分别对应着薄的层冰分离出来的浮冰片和受挤压的厚冰(如破冰船挤压后的冰)分离出来的冰块，这在北极实际航行中是最常见的两种浮冰形式．设相对波长为/cλλL．对于纵荡和垂荡运动，运动响应幅值算子(RAO)定义为纵荡和垂荡运动的幅值与波高之比；对于纵摇运动，运动响应幅值算子定义为纵摇角幅值与最大波倾角mθ的比值，即FRAO．首先观察不同相对波长下正方形薄冰的运动响应幅值算子，这里为和试验保持一致，保持=0.044不变，改变波长从0.7，0.9，1.2，1.5，1.8，2.1，2.4到3.0m．图6给出了不同λ下正方形薄冰的纵荡、垂荡和纵摇运动运动响应幅值算子曲线，其中对于纵荡和垂荡，试验值
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于内薄层法的船冰碰撞载荷机理探究[J]. 胡嘉骏,南明宇,汪雪良,刘俊杰. 华中科技大学学报(自然科学版). 2019(07)
[2]二维Stokes波与多块浮冰相互作用数值模拟[J]. 倪宝玉,刘晨辉,胡文进,韩端锋. 水动力学研究与进展（A辑）. 2019(02)
[3]波浪对渤海近岸海冰冲击作用的数值模拟[J]. 杨春忠,刘长根,房河宇,马慧敏. 水动力学研究与进展（A辑）. 2017(02)
本文编号：3147003
【文章来源】：华中科技大学学报(自然科学版). 2020,48(10)北大核心EICSCD
【文章页数】：6 页
【部分图文】：
理论方法和数值模拟计算的纵向位移对比图2中理论方法预测的纵荡幅值明显大于数值
笥谑??计算结果．这可能是因为斜滑理论在计算中假设浮冰湿表面面积是保持不变的，如图3(a)所示，而真实情况下浮冰的湿表面面积在纵摇影响下会不断变化，且当浮冰发生越浪(overwash)[7]时，浮冰的湿表面面积会明显增大，如图3(b)所示．湿表面积的增大显著增加了浮冰的附加质量力和拖曳力，导致浮冰的纵荡幅值减小，低于理论预测值．另一方面，理论结果与理论模型中选取的mC，wC等参数有关系，这也是造成误差的另一可能原因[1]．图3浮冰运动到波峰位置时理论模型和数值模拟的对比图4和5分别给出了采用理论模型和数值模拟计算得到的升沉位移和纵摇角变化曲线．图4中Z为垂向位移．从图中可见：在数值计算中浮冰运动稳定后，数值计算结果和理论结果的周期几乎一致．对于升沉位移，理论结果的峰值略小于数值计算结果；对于纵摇角，理论结果精确对称，而数值计算结果相当于理论结果向下略有偏移．总体而言，理论结果和数值模拟的升沉位移和纵摇角符合较好，在误差允许条件下，可用理论结果近似预报浮冰这两个自由度的响应．图4理论方法和数值模拟计算的垂向位移对比曲线图5理论方法和数值模拟计算的纵摇角对比曲线4不同参数下浮冰运动响应变化规律4.1波长影响参照文献[5]的试验，本研究保持波陡不变，改变波长．为了观察波长变化对于海冰的影响，这里选择两种不同类型的海冰：一种是所述的正方形薄冰(30cm×30cm×5cm)，另一种是立方体冰(20cm×20cm×20cm)．正方形薄冰和立方体冰分别对应着薄的层冰分离出来的浮冰片和受挤压的厚冰(如破冰船挤压后的冰)分离出来的冰块，这在北极实际航行中是最常见的两种浮冰形式．设相对波长为
獾亩员?图4和5分别给出了采用理论模型和数值模拟计算得到的升沉位移和纵摇角变化曲线．图4中Z为垂向位移．从图中可见：在数值计算中浮冰运动稳定后，数值计算结果和理论结果的周期几乎一致．对于升沉位移，理论结果的峰值略小于数值计算结果；对于纵摇角，理论结果精确对称，而数值计算结果相当于理论结果向下略有偏移．总体而言，理论结果和数值模拟的升沉位移和纵摇角符合较好，在误差允许条件下，可用理论结果近似预报浮冰这两个自由度的响应．图4理论方法和数值模拟计算的垂向位移对比曲线图5理论方法和数值模拟计算的纵摇角对比曲线4不同参数下浮冰运动响应变化规律4.1波长影响参照文献[5]的试验，本研究保持波陡不变，改变波长．为了观察波长变化对于海冰的影响，这里选择两种不同类型的海冰：一种是所述的正方形薄冰(30cm×30cm×5cm)，另一种是立方体冰(20cm×20cm×20cm)．正方形薄冰和立方体冰分别对应着薄的层冰分离出来的浮冰片和受挤压的厚冰(如破冰船挤压后的冰)分离出来的冰块，这在北极实际航行中是最常见的两种浮冰形式．设相对波长为/cλλL．对于纵荡和垂荡运动，运动响应幅值算子(RAO)定义为纵荡和垂荡运动的幅值与波高之比；对于纵摇运动，运动响应幅值算子定义为纵摇角幅值与最大波倾角mθ的比值，即FRAO．首先观察不同相对波长下正方形薄冰的运动响应幅值算子，这里为和试验保持一致，保持=0.044不变，改变波长从0.7，0.9，1.2，1.5，1.8，2.1，2.4到3.0m．图6给出了不同λ下正方形薄冰的纵荡、垂荡和纵摇运动运动响应幅值算子曲线，其中对于纵荡和垂荡，试验值
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于内薄层法的船冰碰撞载荷机理探究[J]. 胡嘉骏,南明宇,汪雪良,刘俊杰. 华中科技大学学报(自然科学版). 2019(07)
[2]二维Stokes波与多块浮冰相互作用数值模拟[J]. 倪宝玉,刘晨辉,胡文进,韩端锋. 水动力学研究与进展（A辑）. 2019(02)
[3]波浪对渤海近岸海冰冲击作用的数值模拟[J]. 杨春忠,刘长根,房河宇,马慧敏. 水动力学研究与进展（A辑）. 2017(02)
本文编号：3147003
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