风浪流数值模拟与风-浪联合作用下桥塔动力响应研究

发布时间：2020-10-29 12:51

　　 海洋是人类获取生存和发展资源的重要场所。近些年来,随着海洋能源开发技术的发展和交通运输的需求,在世界各地和我国相继建设了大量的近海桥梁和海上风力发电场等重大基础设施。但是,海洋环境复杂多变,其风、浪、流等环境作用对近海工程结构将造成严重威胁。系统研究海洋风、浪、流的流场特性,掌握近海工程结构在海洋多灾害环境作用下的动力响应特性,对于提升近海工程结构的防灾减灾能力具有重要的意义。本文针对海洋风、浪、流的流场特性开展数值模拟和分析,并以跨海桥梁桥塔为对象,对其在风-浪联合作用下的动力响应进行了研究。本文的主要研究内容包括:(1)基于内部质量源造波方法,结合ALE(任意拉格朗日-欧拉方法)界面追踪技术,提出线状质量源造波方法,并开展了推板和摇板造波的数值模拟;同时基于VOF(体积分数法)界面捕捉技术建立了波浪数值水槽;对两种数值波浪水槽模拟结果进行对比和分析后发现,基于内部质量源方法和ALE技术发展的造波方法,能有效模拟波浪自由面及其以下流场,而基于VOF方法得到的波浪在测试段内波高有微弱衰减(4%左右),但波周期和波形较为理想。(2)基于Campagne等提出的洋流自由面以下的湍流分层结构概念,对洋流开敞槽道流动进行了DNS数值模拟,并采用速度-涡量相关性(VVCS)方法对湍流相关结构进行分析,揭示了自由面以下流动分层结构的形成及其对涡结构分布的影响机制。(3)开展了风生浪和风-规则波相互作用的试验研究,分析了试验室条件下风-浪联合场的风剖面和波浪要素变化特征及二者相互影响规律;基于VOF方法建立了风-浪联合场数值模型,通过试验和数值模拟结果的对比分析,验证了数值方法的适用性。(4)针对弹性圆柱结构,试验研究了不同没水深度条件下模型结构在单风、单浪和风-浪联合作用下的动力响应;基于所提出的风-浪联合场数值模拟方法及弹性体动力求解方法,采用Open FOAM开源程序建立了风-浪联合作用下弹性圆柱结构的流固耦合(FSI)动力求解方法,并通过试验和数值模拟结果的对比分析,揭示了圆柱结构附近流场分布特性与风-浪联合作用对结构动力响应的影响。(5)开展了桥塔结构在风-浪联合作用下的模型试验,试验研究了桥塔在单风、单浪与风-浪联合作用下的振动特性和动力响应变化规律。在桥梁抖振频域分析方法的基础上进一步引入波浪荷载,开展了风-浪联合作用下桥塔结构的动力响应分析,并与试验结果进行了对比分析和验证。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U441
【文章目录】：
摘要
Abstract
第1章 绪论
    1.1 课题研究目的及意义
    1.2 波浪自由表面描述方法及波浪水槽数值模拟
        1.2.1 波浪自由表面描述方法
        1.2.2 波浪水槽数值模拟
    1.3 洋流自由表面以下流动结构研究现状
        1.3.1 基于滑移平板边界的自由面模拟
        1.3.2 有限波高表面自由面模拟
    1.4 风-浪联合场研究现状
        1.4.1 风-浪联合场理论和试验研究
        1.4.2 风-浪联合场数值研究
    1.5 风-浪联合作用下结构动力响应研究现状
        1.5.1 风-浪联合作用下结构动力响应研究
        1.5.2 流固耦合（FSI）分析方法
    1.6 本文的主要研究内容
第2章 基于VOF方法和ALE方法的波浪水槽数值模拟
    2.1 引言
    2.2 基于VOF方法的波浪水槽数值模拟
        2.2.1 VOF界面捕捉方法
        2.2.2 波浪水槽数值设置
        2.2.3 数值模拟结果
    2.3 基于ALE界面追踪及内部质量源方法的波浪水槽数值模拟
        2.3.1 ALE界面追踪方法
        2.3.2 内部质量源造波方法
        2.3.3 数值计算设置
        2.3.4 数值模拟结果
    2.4 基于VOF方法和ALE方法数值波浪水槽的比较
    2.5 本章小结
第3章 洋流自由表面下流动分层结构分析
    3.1 引言
    3.2 理论方法与分析手段
        3.2.1 湍动能及雷诺应力
        3.2.2 脉动涡拟能
        3.2.3 脉动速度-涡量相关结构（VVCS）
    3.3 基于DNS的洋流开敞槽道流动数值模拟
    3.4 数值模拟结果分析
        3.4.1 流场统计特性
        3.4.2 自由表面以下分层湍流结构
        3.4.3 湍动能及涡拟能分析
        3.4.4 分层流动结构的相关函数及能谱
        3.4.5 分层流动结构的速度-涡量相关性分析
    3.5 本章小结
第4章 风-浪联合场试验研究与数值模拟
    4.1 引言
    4.2 风-浪联合场试验研究
        4.2.1 试验设置
        4.2.2 单风作用下的流场分析
        4.2.3 风-浪联合作用下的流场分析
    4.3 风-浪联合场数值模拟
        4.3.1 风-浪联合场数值建模方法
        4.3.2 数值模拟及结果分析
    4.4 本章小结
第5章 风-浪联合作用下弹性圆柱体动力响应试验研究和数值模拟
    5.1 引言
    5.2 风-浪联合作用下弹性圆柱体动力响应试验研究
        5.2.1 模型设计
        5.2.2 试验工况设计
        5.2.3 试验结果分析
    5.3 风-浪联合作用下弹性圆柱体动力响应分析数值模拟
        5.3.1 数值建模方法
        5.3.2 数值检验
        5.3.3 数值模拟结果分析
    5.4 本章小结
第6章 风-浪联合作用下桥塔动力响应试验研究
    6.1 引言
    6.2 试验设计
        6.2.1 桥塔试验模型
        6.2.2 试验工况设计
    6.3 试验结果分析
        6.3.1 单风作用下桥塔结构试验结果
        6.3.2 风-规则波作用下桥塔试验结果
        6.3.3 风-不规则波作用下桥塔试验结果
        6.3.4 风-浪联合作用对桥塔动力响应的影响
    6.4 风-浪联合作用下桥塔动力响应频域分析
        6.4.1 频域分析方法建模
        6.4.2 频域方法结果分析
    6.5 本章小结
结论
参考文献
攻读博士学位期间发表的论文及其他成果
致谢
个人简历

【参考文献】

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1 刘海源;耿宝磊;彭程;;风浪流作用桥塔弹性模型试验研究[J];水道港口;2015年06期

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1 郭超;桥墩冲刷与波流力的试验研究[D];清华大学;2012年

2 柏晓东;深水悬臂桥墩动力特性及地震响应研究[D];哈尔滨工业大学;2011年

本文编号：2860926