聚焦波速度场特性分析
发布时间：2020-05-11 14:39
【摘要】：目前随着人类社会的高速发展,海洋资源已经逐渐成为世界各大国争夺的焦点。畸形波是深海中的一种强非线性波浪,对船舶与海洋工程装备具有较大破坏性。深海中海底地形对波面没有影响,形成畸形波的一个主要原因是相位聚焦。因此本文重点开展聚焦波波形和速度场的数值研究。本文在国际上第一次使用强非线性层析波浪理论中的有限水深IGN模型和基于全非线性势流方法的HPC方法模拟聚焦波,并得到聚焦波波形和速度场。层析水波理论将准确满足瞬时自由面条件,没有引入任何小参数假设,适用于强非线性水波模拟。IGN方程采用有限差分法离散,时间步进采用具有四阶精度的Adams预测-校正法,造波边界使用相位聚焦法在指定位置、指定时间产生聚焦波浪,然而由于非线性影响,实际聚焦位置和时刻与线性理论值有一定偏差。分别采用IGN模型和HPC方法进行聚焦波波形和速度场的研究,首先进行了详尽的自收敛性分析,包括网格尺度、时间步长、全局光滑强度、IGN收敛级别、左端滤波点个数、右端消波点个数、造波端光滑系数,并给出了非常有参考价值的计算策略,确保给出数值模型的准确计算结果。模拟宽谱和窄谱下各三种不同非线性的聚焦波,结果与实验值吻合度较理想,通过与全非线性HPC方法的结果对比,验证了 IGN模型的计算精度。研究并分析了不同输入波幅、频宽对聚焦波波形、空间上波形的变化、聚焦位置和时间、最大波峰的影响。最后研究聚焦波速度场并分析了不同输入波幅、频宽、输入水深对聚焦波波峰下速度场的影响。
【图文】：
４．１聚焦波实验工况介绍逡逑Ｂａｌｄｏｃｋ等人于１９９６年在伦敦帝国学院工程水力学实验室运用相位聚焦模型制逡逑造出聚焦波。水槽尺度：长２０ｍ，宽０．３ｍ，水深０．７ｍ，池深１．０ｍ，实验布置如图４．１逡逑所示。水池实验共采取四种实验工况，本文仅针对其中两种工况进行数值验证，如表４．１逡逑所示。宽谱对应工况Ｂ，窄谱对应工况Ｄ。每种工况下水深固定为０．７０ｍ。逡逑逦逦表４．１计算工况逦逦逡逑工况逦周期范围：Ｔ邋（ｓ）逦频率宽度／邋（Ｈｚ）逦输入波幅Ｊ邋（ｍｍ）逡逑Ｂ逦０．６＜ｒ＜１．４逦0．７１＜／＜１．６６逦２２；邋３８；邋５５逦逡逑Ｄ逦０．８＜ｒ＜１．２逦０．８３＜／＜１．２５逦２２；邋３８：邋５５逦逡逑令每个单色波的波幅相等且按下式确定：逡逑屮＝￥逦（４－１）逡逑其中；ｖＶ为单色波个数，Ｊ为输入波幅；逡逑聚焦参数和波浪成份参数均比照实验设置，分别为：聚焦时间ｔｆ＝２０．０ｓ；聚焦位置逡逑々Ｕｒｎ；周期：Ｔｉ按表４．１等间距取值，并获得周期对应的频率Ａ每个单色波的波数心可逡逑以根据色散关系确定。对于工况Ｂ、Ｄ，，预设的输入波幅Ｘ分别为２２ｍｍ，邋３８ｍｎｉ和５５ｍｍ。逡逑聚焦位置设在ｘｆ＝８．００ｍ，聚焦时间设在＆＝２0５，聚焦时间的选取条件必须满足逡逑
Ａ邋／Ａ＼邋／Ａ邋Ａ＼．邋Ａ逡逑图４．１实验水槽＿逡逑４．２数值模拟收敛性分析逡逑进行数值模拟收敛性分析是数值模拟可信度的重要参考依据。本论文对宽窄谱工况逡逑均进行了详尽的收敛性分析，但考虑文章篇幅及分析内容的相似性，仅选取大波幅逡逑Ｂ５５，Ｄ５５工况下的结果进行分析并展示在论文中，对于小波幅Ｂ２２，邋Ｄ２２和中等波幅Ｂ３８，逡逑Ｄ３８工况只展示分析结果。逡逑深水ＩＧＮ模型对空间网格尺度和时间步长选择给出的推荐计算如下：逡逑ｄｘ邋＝邋＾，ｄｔ＜＾－逦（４－２）逡逑ｉＶ逦＾ｃｍａｘ逡逑空间网格尺度计算中，Ｎ＝３０，波长选取聚焦单色波成份中的最短波长，时间步长计逡逑算中，还需要用有限水深线性色散关系计算得到最长波长对应的相速度。逡逑ＩＧＮ模型的精度和阶数有关，更高的阶数能更加准确的模拟聚焦波的波形和速度场，逡逑但更高的阶数会X椉蛹扑闶奔洌远裕桑牵渭侗鸾惺樟残苑治鍪潜匾摹ｅ义下瞬ń诘闶⑾ń诘闶⒐饣凳跋觳ɡ四芊裎榷ǖ拇ァ９嗟穆瞬ń诘慊徨义系贾陆峁д妫还俚南ń诘慊岬贾孪ㄐЧ焕硐耄还饣凳苯佑跋旃饣男Ч
本文编号：2658606
【图文】：
４．１聚焦波实验工况介绍逡逑Ｂａｌｄｏｃｋ等人于１９９６年在伦敦帝国学院工程水力学实验室运用相位聚焦模型制逡逑造出聚焦波。水槽尺度：长２０ｍ，宽０．３ｍ，水深０．７ｍ，池深１．０ｍ，实验布置如图４．１逡逑所示。水池实验共采取四种实验工况，本文仅针对其中两种工况进行数值验证，如表４．１逡逑所示。宽谱对应工况Ｂ，窄谱对应工况Ｄ。每种工况下水深固定为０．７０ｍ。逡逑逦逦表４．１计算工况逦逦逡逑工况逦周期范围：Ｔ邋（ｓ）逦频率宽度／邋（Ｈｚ）逦输入波幅Ｊ邋（ｍｍ）逡逑Ｂ逦０．６＜ｒ＜１．４逦0．７１＜／＜１．６６逦２２；邋３８；邋５５逦逡逑Ｄ逦０．８＜ｒ＜１．２逦０．８３＜／＜１．２５逦２２；邋３８：邋５５逦逡逑令每个单色波的波幅相等且按下式确定：逡逑屮＝￥逦（４－１）逡逑其中；ｖＶ为单色波个数，Ｊ为输入波幅；逡逑聚焦参数和波浪成份参数均比照实验设置，分别为：聚焦时间ｔｆ＝２０．０ｓ；聚焦位置逡逑々Ｕｒｎ；周期：Ｔｉ按表４．１等间距取值，并获得周期对应的频率Ａ每个单色波的波数心可逡逑以根据色散关系确定。对于工况Ｂ、Ｄ，，预设的输入波幅Ｘ分别为２２ｍｍ，邋３８ｍｎｉ和５５ｍｍ。逡逑聚焦位置设在ｘｆ＝８．００ｍ，聚焦时间设在＆＝２0５，聚焦时间的选取条件必须满足逡逑
Ａ邋／Ａ＼邋／Ａ邋Ａ＼．邋Ａ逡逑图４．１实验水槽＿逡逑４．２数值模拟收敛性分析逡逑进行数值模拟收敛性分析是数值模拟可信度的重要参考依据。本论文对宽窄谱工况逡逑均进行了详尽的收敛性分析，但考虑文章篇幅及分析内容的相似性，仅选取大波幅逡逑Ｂ５５，Ｄ５５工况下的结果进行分析并展示在论文中，对于小波幅Ｂ２２，邋Ｄ２２和中等波幅Ｂ３８，逡逑Ｄ３８工况只展示分析结果。逡逑深水ＩＧＮ模型对空间网格尺度和时间步长选择给出的推荐计算如下：逡逑ｄｘ邋＝邋＾，ｄｔ＜＾－逦（４－２）逡逑ｉＶ逦＾ｃｍａｘ逡逑空间网格尺度计算中，Ｎ＝３０，波长选取聚焦单色波成份中的最短波长，时间步长计逡逑算中，还需要用有限水深线性色散关系计算得到最长波长对应的相速度。逡逑ＩＧＮ模型的精度和阶数有关，更高的阶数能更加准确的模拟聚焦波的波形和速度场，逡逑但更高的阶数会X椉蛹扑闶奔洌远裕桑牵渭侗鸾惺樟残苑治鍪潜匾摹ｅ义下瞬ń诘闶⑾ń诘闶⒐饣凳跋觳ɡ四芊裎榷ǖ拇ァ９嗟穆瞬ń诘慊徨义系贾陆峁д妫还俚南ń诘慊岬贾孪ㄐЧ焕硐耄还饣凳苯佑跋旃饣男Ч
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