浅水波浪与物体作用的全时域三维数值模型及其应用
发布时间：2021-08-11 18:09
对近岸、港口工程而言,受水深变浅影响,波浪形成了自身独有的特点,根据波高、波长、水深之间关系的不同,周期性波浪可表现为椭圆余弦波或Stokes波,而同时,水底地形、水域边界对波浪传播的影响又极为重要,产生的波浪绕射、反射等现象对工程有着显著的影响。所以,应当建立浅水波浪与物体作用的数值模型,在对近岸、港口水域波浪传播进行有效模拟的同时,对体现近岸、港口工程特殊性的椭圆余弦波与物体的作用进行系统的研究,深入地揭示椭圆余弦波非线性在其中的影响。所建模型应当满足三方面的基本要求:（1）能准确地模拟近岸水域中各种非线性波浪,包括椭圆余弦波及一定水深范围内的Stokes波;（2）能准确地对水底地形变化的水域进行计算;（3）能准确地在曲边界上进行求解。鉴于此,一方面,本文利用有限元法建立了一个以Beji和Nadaoka的改进型Boussinesq方程为控制方程的浅水波浪传播及其与固定直立物体作用的数值模型。模型中,重点改进了曲边界的处理方法,使全反射边界条件在曲边界上得到精确的满足。测试显示本模型能准确模拟不同形态的非线性波浪,并能对地形变化和曲边界问题进行准确的计算。利用该模型,本文进一步系统地...
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：150 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１海上风机上波浪爬高的示意??
Ｆｉｇ．?２．１?Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ?ｆｏｒ?ｔｈｅ?ｄｅｒｉｖａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｅｌｅｖａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｃｎｏｉｄａｌ?ｗａｖｅｓ??７＇和；７丨、％、％的关系如图２．１所示，并设如下参数??ｒｉ＼￣ｒ］ｉ?￣￣７￣ａ?（２．１０）??ａ??ｒｉ＇ｉ－＾＝Ｐ?（２．１１）??ｒｊ＇－ｒｊ＇２＝Ｓ?（２．１２）??将式（２．１０）、（２．１１）和（２．１２）代入式（２．８）可得??告＝土抑－项Ｓ?＋灼?（２．１３）??ＱＸ??此处的“±”表示一个波浪周期中两个不同的半个周期，当前，可只考虑前半个周期以??对推导进行简化，故只取??＾?＝?－＾ａ－Ｓ）Ｓ（Ｓ?＋?＾）?（２．１４）??ｄｘ??设ａ?ｃｏｓ２没，代入式（２．１４）可得??＾?＝?—?ｙ］ａ?ｃｏｓ２?６－ｖ?ｐ?（２．１５）??Ａｘ?２??若令?ｍ２＝ｏ：／（ａ?＋?／？）?＝?（；７丨’一?；７；）／（；７丨’一?；７】）（可见?０＜ｍ＜ｌ），进一步可得??迦匕兑拦＝丨１?（２．１６）??２?ｙ／ｌ－ｍ２?ｓｉｎ２?６??然后，对行积分??－１７－??
上述两套方程分别含有一个参数，通过调整参数，方程的色散性会发生??很大的变化。通过计算比较，《＝－０．３９?（ｚａ＝－０．５３Ａ、ｐ＝０．２能使两套方程分别达到??各自的最大色散精度，此时，两方程对应的线性波波速如图２．５所示。可以看到，通过??改进色散性，两套方程都能在更大范围内对线性波速进行较准确的计算，在Ｗ＜３?Ｗ／Ｌ??＜０．４８）的范围内两套方程的色散性基本相当，都能保证方程计算波浪的有效性。??０?８．??－〇?０?６?？??－〇．４?－?＇＇？？．???一阶Ｓｔｏｋｅｓ波??—一?Ｐｅｒｅｇｒｉｎｅ??０．２?－????Ｂｅｊｉ?？??－－－－?Ｎｏｗｇｕ??〇〇０?１２?３?４?５??ｋｄ??图２．５不同Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程计算的线性波波速比较??Ｆｉｇ．?２．５?Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｌｉｎｅａｒ?ｗａｖｅ?ｓｐｅｅｄｓ?ｆｒｏｍ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ??Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ－ｔｙｐｅ?ｅｑｕａｔｉｏｎｓ??－２６－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]An extended form of Boussinesq-type equations for nonlinear water waves[J]. 荆海晓,刘长根,陶建华. Journal of Hydrodynamics. 2015(05)
[2]Full time-domain nonlinear coupled dynamic analysis of a truss spar and its mooring/riser system in irregular wave[J]. YANG MinDong,TENG Bin,XIAO LongFei,NING DeZhi,SHI ZhongMin,QU Yan. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2014(01)
[3]NUMERICAL STUDY OF MULTIDIRECTIONAL FOCUSING WAVE RUN-UP ON A VERTICAL SURFACE-PIERCING CYLINDER[J]. SUN Zhong-bin,LIU Shu-xue,LI Jin-xuan State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China. Journal of Hydrodynamics. 2012(01)
[4]波浪对圆柱作用的三维耦合计算模型[J]. 王海龙,邹志利,周亚龙,王大国. 中国海洋平台. 2010(05)
[5]基于改进Boussinesq方程三角形网格有限元模型[J]. 孙忠滨,柳淑学,李金宣. 海洋工程. 2010(03)
[6]A three-dimensional coupled numerical model of nonlinear waves in a harbor[J]. L.G.THAM. Science in China（Series E:Technological Sciences）. 2008(12)
[7]波浪对箱形船作用的三维耦合计算模型[J]. 王大国,邹志利,唐春安. 船舶力学. 2007(04)
[8]HIGHER ORDER BOUSSINESQ-TYPE EQUATIONS FOR WATER WAVES ON UNEVEN BOTTOM[J]. 王本龙,刘桦. Applied Mathematics and Mechanics（English Edition）. 2005(06)
[9]NUMERICAL SIMULATON OF IMPROVED BOUSSINESQ EQUATIONS BY A FINITE ELEMENT METHOD[J]. Zhao Ming, Teng Bin, Liu Shu-xue State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China. Journal of Hydrodynamics（Ser.B）. 2003(04)
[10]Second-Order Wave Diffraction Around 3-D Bodies by A Time-Domain Method[J]. 柏威,滕斌. China Ocean Engineering. 2001(01)
博士论文
[1]开敞水域完全非线性数值波浪模型的建立及在平台Ringing现象中的应用[D]. 周斌珍.大连理工大学 2013
[2]波浪对深海海洋平台作用的时域模拟[D]. 耿宝磊.大连理工大学 2010
[3]非线性波浪与任意三维物体的相互作用[D]. 柏威.大连理工大学 2001
本文编号：3336640
【文章来源】：大连理工大学辽宁省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：150 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１海上风机上波浪爬高的示意??
Ｆｉｇ．?２．１?Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ?ｆｏｒ?ｔｈｅ?ｄｅｒｉｖａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｔｈｅ?ｅｌｅｖａｔｉｏｎ?ｏｆ?ｃｎｏｉｄａｌ?ｗａｖｅｓ??７＇和；７丨、％、％的关系如图２．１所示，并设如下参数??ｒｉ＼￣ｒ］ｉ?￣￣７￣ａ?（２．１０）??ａ??ｒｉ＇ｉ－＾＝Ｐ?（２．１１）??ｒｊ＇－ｒｊ＇２＝Ｓ?（２．１２）??将式（２．１０）、（２．１１）和（２．１２）代入式（２．８）可得??告＝土抑－项Ｓ?＋灼?（２．１３）??ＱＸ??此处的“±”表示一个波浪周期中两个不同的半个周期，当前，可只考虑前半个周期以??对推导进行简化，故只取??＾?＝?－＾ａ－Ｓ）Ｓ（Ｓ?＋?＾）?（２．１４）??ｄｘ??设ａ?ｃｏｓ２没，代入式（２．１４）可得??＾?＝?—?ｙ］ａ?ｃｏｓ２?６－ｖ?ｐ?（２．１５）??Ａｘ?２??若令?ｍ２＝ｏ：／（ａ?＋?／？）?＝?（；７丨’一?；７；）／（；７丨’一?；７】）（可见?０＜ｍ＜ｌ），进一步可得??迦匕兑拦＝丨１?（２．１６）??２?ｙ／ｌ－ｍ２?ｓｉｎ２?６??然后，对行积分??－１７－??
上述两套方程分别含有一个参数，通过调整参数，方程的色散性会发生??很大的变化。通过计算比较，《＝－０．３９?（ｚａ＝－０．５３Ａ、ｐ＝０．２能使两套方程分别达到??各自的最大色散精度，此时，两方程对应的线性波波速如图２．５所示。可以看到，通过??改进色散性，两套方程都能在更大范围内对线性波速进行较准确的计算，在Ｗ＜３?Ｗ／Ｌ??＜０．４８）的范围内两套方程的色散性基本相当，都能保证方程计算波浪的有效性。??０?８．??－〇?０?６?？??－〇．４?－?＇＇？？．???一阶Ｓｔｏｋｅｓ波??—一?Ｐｅｒｅｇｒｉｎｅ??０．２?－????Ｂｅｊｉ?？??－－－－?Ｎｏｗｇｕ??〇〇０?１２?３?４?５??ｋｄ??图２．５不同Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ方程计算的线性波波速比较??Ｆｉｇ．?２．５?Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ?ｂｅｔｗｅｅｎ?ｌｉｎｅａｒ?ｗａｖｅ?ｓｐｅｅｄｓ?ｆｒｏｍ?ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ??Ｂｏｕｓｓｉｎｅｓｑ－ｔｙｐｅ?ｅｑｕａｔｉｏｎｓ??－２６－??
【参考文献】：
期刊论文
[1]An extended form of Boussinesq-type equations for nonlinear water waves[J]. 荆海晓,刘长根,陶建华. Journal of Hydrodynamics. 2015(05)
[2]Full time-domain nonlinear coupled dynamic analysis of a truss spar and its mooring/riser system in irregular wave[J]. YANG MinDong,TENG Bin,XIAO LongFei,NING DeZhi,SHI ZhongMin,QU Yan. Science China（Physics,Mechanics & Astronomy）. 2014(01)
[3]NUMERICAL STUDY OF MULTIDIRECTIONAL FOCUSING WAVE RUN-UP ON A VERTICAL SURFACE-PIERCING CYLINDER[J]. SUN Zhong-bin,LIU Shu-xue,LI Jin-xuan State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116024,China. Journal of Hydrodynamics. 2012(01)
[4]波浪对圆柱作用的三维耦合计算模型[J]. 王海龙,邹志利,周亚龙,王大国. 中国海洋平台. 2010(05)
[5]基于改进Boussinesq方程三角形网格有限元模型[J]. 孙忠滨,柳淑学,李金宣. 海洋工程. 2010(03)
[6]A three-dimensional coupled numerical model of nonlinear waves in a harbor[J]. L.G.THAM. Science in China（Series E:Technological Sciences）. 2008(12)
[7]波浪对箱形船作用的三维耦合计算模型[J]. 王大国,邹志利,唐春安. 船舶力学. 2007(04)
[8]HIGHER ORDER BOUSSINESQ-TYPE EQUATIONS FOR WATER WAVES ON UNEVEN BOTTOM[J]. 王本龙,刘桦. Applied Mathematics and Mechanics（English Edition）. 2005(06)
[9]NUMERICAL SIMULATON OF IMPROVED BOUSSINESQ EQUATIONS BY A FINITE ELEMENT METHOD[J]. Zhao Ming, Teng Bin, Liu Shu-xue State Key Laboratory of Coastal and Offshore Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China. Journal of Hydrodynamics（Ser.B）. 2003(04)
[10]Second-Order Wave Diffraction Around 3-D Bodies by A Time-Domain Method[J]. 柏威,滕斌. China Ocean Engineering. 2001(01)
博士论文
[1]开敞水域完全非线性数值波浪模型的建立及在平台Ringing现象中的应用[D]. 周斌珍.大连理工大学 2013
[2]波浪对深海海洋平台作用的时域模拟[D]. 耿宝磊.大连理工大学 2010
[3]非线性波浪与任意三维物体的相互作用[D]. 柏威.大连理工大学 2001
本文编号：3336640
本文链接：https://www.wllwen.com/projectlw/dqwllw/3336640.html
