内孤立波作用下小尺度竖直圆柱体的水动力特性研究
本文选题：内孤立波 + 竖直圆柱体 ； 参考：《中国海洋大学》2015年博士论文
【摘要】：中国南海蕴藏着丰富的油气资源,我国越来越重视对南海油气资源的勘探和开发。但南海的自然条件非常恶劣,且内波活动频繁。因此,研究海洋内波对海洋工程结构物的作用具有重要的现实意义。经过物理海洋学家们几十年的现场观测及资料分析,人们对海洋内波的生成、传播及演化机理已经有了较多积累,对海洋内波在全球各海域的分布状况也有了较好的把握,而且经过海洋工程专家及物理海洋学家的初步研究,内孤立波对海洋结构的巨大破坏作用已经引起了工业界的重视。但学者们在针对内孤立波荷载进行计算时,并未考虑荷载沿水深的变化,水动力系数的选取也只是参照表面波及海流的经验数据,这对荷载计算的准确性有较大的影响。因此,本文综合运用试验研究、数值模拟及理论研究的方法,对内孤立波波致流场下水动力系数的选取方法、内孤立波荷载的垂向分布等特性以及圆柱型结构在内孤立波作用下的动力响应进行了研究,为实现内孤立波作用下海洋结构物动力响应的准确计算以及建立包括内孤立波在内的多种海洋环境荷载联合作用下结构物的破坏预报机制奠定了基础。试验研究是认识事物客观规律的重要方法,本文首先通过实验对内孤立波波致流场及内孤立波对不同水深竖直圆柱体的作用力进行了研究。在二维内波及分层流水槽制备分层流体,运用重力塌陷法进行内孤立波造波,采用PIV技术对内孤立波波致流场数据进行测量,研究了内孤立波波致水平流速及加速度随时间及水深的变化规律。在不同水深处布置竖直圆柱体分段,各分段分别通过测力传感器与支撑装置相连,对内孤立波经过时各圆柱体分段的水平受力进行测量,通过不同水深处圆柱体受力的对此,初步研究内孤立波作用力沿水深的变化。基于测得的内孤立波波致流场和圆柱体的水平受力,运用水动力系数分析方法中的最小二乘法得到水动力系数,并初步探索内孤立波波致流场下水动力系数的选取方法。计算流体力学方法是近些年刚兴起的一种数值模拟方法,该方法能克服试验研究中的一些缺陷。本文基于Fluent软件建立三维内波数值水槽,实现了对内孤立波波致流场和内孤立波作用下不同水深竖直圆柱体水平受力的数值模拟,通过与实验结果对比验证了该数值模拟的正确性。基于监测的流场数据和圆柱体的水平受力数据,运用最小二乘法得到水动力系数,通过改变内孤立波振幅和圆柱体直径的多工况数值模拟,得到了较大KC数范围的水动力系数,并研究了水动力系数与KC数的相关性,为计算内孤立波对小尺度圆柱型结构作用力时水动力系数的选取提供参考。针对小尺度结构物,运用Morison公式计算内孤立波作用力是比较主流的理论计算方法。基于对内孤立波波致流场和水动力系数的研究,本文运用Morison公式建立了内孤立波对小尺度竖直圆柱形结构水平作用力的理论计算模型,通过与试验结果对比验证了该理论模型的正确性。运用该模型,对内孤立波作用力随时间及水深的变化规律进行了研究,并对内孤立波作用力的极性以及作用力随振幅的变化规律进行了研究。对内孤立波作用力的研究最终是为应用到结构物在内孤立波作用下动力响应的计算。本文针对海洋汕气开发工程中常用的结构物——海洋立管,基于内孤立波作用力理论计算模型,采用功能原理,考虑管内流体流动,建立了内孤立波作用力下顶张力立管的顺流向运动控制方程,通过编程求解得到顶张力立管的动力响应,实现了对内孤立波作用下顶张力立管动力响应的数值模拟。参照南海实测内波数据,对内孤立波作用下顶张力立管的动力响应进行计算,探讨了内孤立波对顶张力立管正常工作的影响,并分别讨论了内孤立波振幅、内流密度、内流流速及顶部张力对立管动力响应的影响。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV131.2
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本文编号：1750451
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