波流与水平圆柱体强非线性相互作用研究

发布时间：2020-06-15 22:23

【摘要】：波流相互作用是实海域中常见的现象,海洋结构物运行时受到的主要载荷即来自于波和流。海洋结构物,如采油平台等,通常由各种类型的垂直和水平圆柱组成。在近年来的研究中,主要关注的是垂直圆柱在波流环境中的载荷,而对于水平圆柱的情况则关注较少。工程中通常采用Morison方程计算水平圆柱所受的波流力,该公式适用于波流与圆柱弱相互作用的情况,而当水平圆柱位于自由面附近且波流与圆柱间存在强非线性相互作用时,Morison方程的假设前提不再满足,从而该公式难以准确计算圆柱的受力。本文即以这种波流与水平圆柱间的强非线性相互作用问题为背景开展相关的试验和数值模拟研究。全文主要研究内容如下。首先,对规则波与水平圆柱的强非线性相互作用问题进行试验和数值模拟研究。试验在循环水槽中进行,分别对规则波-圆柱相互作用、规则波-流-圆柱相互作用进行了试验,试验中测量了不同淹没深度圆柱所受的波浪力与波流力。此外,结合Fluent软件的数值模拟,重点研究了波流与水平圆柱相互作用中的强非线性现象,包括波浪的反射和阻塞、自由面的大变形、圆柱周围的涡场,并讨论了上述各非线性现象对波浪力的影响。最后,基于试验数据总结了圆柱所受的波流力及其峰值随圆柱淹没深度的变化规律,并在此过程中详细研究了波浪的反射和阻塞效应对受力峰值的影响。畸形波是非线性更强的极端波浪,具有极大的能量和破坏性。当水平圆柱遭遇畸形波时,必将出现更强的非线性相互作用现象。在试验和数值模拟中常采用聚焦波来代替畸形波开展相关研究,本文也针对聚焦波与水平圆柱间的强非线性相互作用开展了试验和数值模拟研究。首先,采用PIV设备测量了大波陡的聚焦波与水平圆柱相互作用时的瞬时流场,并总结了聚焦波作用下圆柱周围涡场的形成和发展规律,讨论了聚焦波导致的涡场和规则波导致的涡场的变化的异同。接着研究了圆柱与聚焦点的相对位置、圆柱的淹没深度、流速等变量对聚焦波作用力的影响。最后,采用小波变换的方法对聚焦波传播过程中以及聚焦波与水平圆柱相互作用过程中的时频能量特性进行了研究。不论是研究波流与水平圆柱相互作用,还是研究其他类型的海洋水动力学问题,对波浪的准确模拟都是其中的关键基础。为更好地满足海洋水动力学问题研究中对波浪准确模拟的需求,本文还自主研发了高精度的大涡模拟程序。该程序在非交错网格上采用有限体积法对不可压N-S方程组进行离散。其中,空间离散采用四阶紧致格式,时间推进采用四阶龙格库塔法,压力速度的耦合采用动量插值法,湍流的求解采用Smagorinsky亚格子应力模型,自由面的模拟采用分段线性界面计算的PLIC型VOF法,此外通过在入口边界处施加速度和VOF边界条件的方式实现数值造波功能,采用浸没边界法实现对结构物的模拟。最后,通过方腔流、运动界面追踪、圆柱绕流等问题的数值模拟,验证了本文开发的大涡模拟模型的有效性。在此基础上,对线性波、椭圆余弦波、孤立波、聚焦波,以及波浪-圆柱相互作用、波流-圆柱相互作用、船体横剖面周围流场、运动圆柱周围流场等问题进行了大涡模拟,验证了本文模型在波浪及其与结构物相互作用方面的可靠性和适用性。此外,在孤立波以及圆柱绕流问题的模拟中,将本文大涡模拟的结果与Fluent软件模拟的结果进行对比,证明了本文所开发的模型的优越性。
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：P75;P731.22
【图文】：

Fig. 1-1 The four typical phenomena in the strong nonlinear interaction between wave-current andhorizontal cylinder图1-1中给出了波流与水平圆柱强非线性相互作用的试验照片。由图可知，波流与圆柱之间的强非线性相互作用主要包括四种现象：1、在圆柱周围形成强烈的涡场；2、波浪在圆柱的作用下出现显著的反射，从而使得波面表现出强非线性；3、波浪经过圆柱后在下游处出现波面的翻卷和破碎现象；4、波谷经过圆柱时出现大量的空气卷入现象。显然地，上述四点现象都不满足Morison方程的假设，而这些现象以及由此导致的对波浪载荷的影响是难以用线性理论分析的。因此，有必要针对此类问题开展进一步的试验和数值模拟研究。本文中，第二至第四章即主要围绕波流与水平圆柱体间的强非线性相互作用的物理问题开展试验和数值模拟研究，以期加深对该问题的认识。1.2.2波流与水平圆柱体相互作用的流场特性研究前述Morison方程着眼于结构物的载荷

第二章波流与水平圆柱体相互作用的试验原理及方法第 21 页图2-1 循环水槽装置图Fig. 2-1 Circulating Water Channel图 2-2 循环水槽工作段照片Fig 2-2 Working section of the Circulating Water Channel图 2-3 循环水槽工作原理示意图Fig. 2-3 Schematic of the Circulating Water Channel造波机控制设备 工作段表面流动加速装置整流装置 造波机工作段:长8.0m、宽3.0m回流段涡轮循环水流循环水流蜂窝式消波器24.6m8.5m

【参考文献】

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本文编号：2715087