多立柱结构波浪爬升与波浪干涉数值分析

发布时间：2020-10-02 10:09

　　随着陆地资源的日趋枯竭,人们逐渐将需求的目光转向海洋。在开采海底油气资源的同时,深海复杂恶劣的海洋环境对各类浮式平台的安全性能提出严峻的挑战;而在对海上优质风能资源利用的同时,近海多变的海洋环境也对固定式风机的安全性能提出了挑战。无论是固定式海上风机还是海洋平台,其主体结构都是单立柱或多立柱式结构,在复杂的海洋环境中,这类结构会产生明显的波浪爬升和立柱间波浪干涉问题,造成结构气隙值的损失,对结构安全构成威胁。针对该问题本文使用CFD方法对波浪爬升和多立柱间波浪干涉问题进行数值模拟,以期为揭示其影响机理提供一定参考。首先,本文基于CFD软件Fluent建立数值波浪水槽。在水槽入口边界处加载造波程序,水槽消波区加载消波程序,使用VOF方法追踪自由面,从而实现二阶stokes波的数值生成。通过对不同网格划分方案下数值波浪与理论波浪的对比,综合考虑计算精度和计算时间,选择最合适的网格划分方案。为了验证该数值水槽用于研究波浪爬升问题的合理性,选择文献中直立圆柱波浪爬升的实验结果与使用该数值水槽计算的数值结果进行对比,从而确定该数值计算方法的合理性。其次,对单立柱波浪爬升特性的研究,分别考虑波陡参数kA,散射参数kR和水深参数kd的影响。研究结果表明:波陡参数的改变会显著影响立柱迎浪面的波浪爬升值;散射参数较大时会改变立柱周围爬升值的分布规律;水深参数较小时会使迎浪面及立柱前侧的爬升值大幅增加。按照速度水头理论,将波浪爬升系数m与kA以及kR进行线性拟合,从而得到一定范围内波浪爬升系数的经验公式。参照波流相互作用理论,构建风浪流耦合数值水槽,研究风和流对直立圆柱波浪爬升特性的影响,研究表明风和流的存在会显著增强立柱周围的波浪爬升现象,增强波浪爬升的非线性特性。基于改进型的Jonswap谱,实现随机波的数值生成,研究随机波条件下直立圆柱的波浪爬升特性,研究表明使用随机波序列中的大波成分来描述波浪爬升现象更加合理。最后进行四立柱结构波浪干涉特性数值分析研究,主要考虑入射波浪参数和波浪入射角度的影响。通过对波浪0度和45度入射条件下柱群内的波浪干涉过程分析来研究柱群内干涉水体的相互影响机理;同时分析各工况下四立柱结构受力特性;并对波浪45度入射时的近场干涉现象进行分析,初步探索四立柱结构的波浪干涉机理。本文从单根直立圆柱的波浪爬升特性研究入手,充分考虑入射波浪参数、风浪流耦合效应、随机波条件下的波浪爬升特性,并在此基础上对四立柱波浪干涉特性进行探索,得到一些有价值的结论,为海工结构物气隙值的确定提供一定的参考依据。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TV139.2
【文章目录】：
摘要
Abstract
1 绪论
    1.1 课题研究背景
    1.2 波浪爬升及多立柱波浪干涉
    1.3 波浪爬升和多立柱波浪干涉国内外研究现状
        1.3.1 理论研究
        1.3.2 实验研究
        1.3.3 CFD数值模拟研究
    1.4 论文主要研究工作
2 数值波浪水槽
    2.1 引言
    2.2 CFD基本理论
        2.2.1 控制方程
        2.2.2 CFD计算方法
        2.2.3 波浪的数值模拟原理
        2.2.4 波浪理论
        2.2.5 数值波浪的生成
    2.3 水槽网格划分与验证
        2.3.1 网格划分方案
        2.3.2 计算结果与验证对比分析
    2.4 本章小结
3 直立圆柱波浪爬升特性研究
    3.1 数值模型的建立
    3.2 数值水槽研究波浪爬升的可行性验证
    3.3 波浪参数对直立圆柱波浪爬升的影响
        3.3.1 波陡参数的影响
        3.3.2 散射参数的影响
        3.3.3 水深参数的影响
        3.3.4 波浪爬升系数的拟合
    3.4 风和流对直立圆柱波浪爬升特性的影响
        3.4.1 风浪流数值水槽基本理论及其构建方法
        3.4.2 风浪流耦合计算工况设置
        3.4.3 立柱周围波浪爬升效应分析
        3.4.4 风和流对波浪爬升非线性特性的影响
        3.4.5 风浪流对迎浪面波浪爬升特性的影响
    3.5 随机波的数值模拟及其对直立圆柱波浪爬升特性的影响
        3.5.1 随机波数学模型
        3.5.2 随机波模拟方法
        3.5.3 随机波的数值生成
        3.5.4 随机波条件下直立圆柱的波浪爬升研究
    3.6 本章小结
4 四立柱结构波浪干涉特性研究
    4.1 计算工况的确定
    4.2 数值模型的建立
    4.3 结果与分析
        4.3.1 柱群Qg波浪干涉过程分析
        4.3.2 波浪0度入射时波浪干涉分析
        4.3.3 波浪45度入射时波浪干涉分析
        4.3.4 多立柱波浪近场干涉现象分析
        4.3.5 多立柱结构受力分析
    4.4 本章小结
结论与展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

【参考文献】