横置圆柱体内波作用力试验研究

发布时间：2017-09-22 08:23

  本文关键词：横置圆柱体内波作用力试验研究

  更多相关文章： 内波 横置圆柱体 垂向力 水平力 耦合分析

【摘要】：内波的长周期、大振幅,以及发生的不确定性等特性,使得内波成为海洋资源勘探开采一个重要的限制因素。近些年来,由于内波对海洋工程结构物造成破坏的事故屡见报道,国内外学者对内波研究的重视程度越来越高。关于内波理论数值模拟方面的研究比较多,试验方面相对比较少。本文将主要针对内波场中布置在不同位置的横向圆柱体进行试验方面的探讨,研究在内波作用下横置圆柱体受到的作用力以及影响因素。首先,介绍在内波研究领域使用的三种理论模型,结合实验室条件,以及试验时工况的设计情况,选择合适的mKdV理论模型。运用MATLAB进行编程,结合求波浪力的计算公式Morison方程,对内波作用下横置圆柱体的受力情况进行模拟估算。根据估算结果,选择测量系统的合适量程以及相应的精度。其次,根据试验方案设计试验工况,进行试验。本次试验共分内周期波试验和内孤立波试验,两种试验均采用染色摄影技术测量所制取内波的波要素,使用定制的高精度、微量程的一维测力传感器和二维测力传感器对流体中横置圆柱体受到的作用力进行测量和记录。最后,对试验过程中得到的试验数据进行分析处理,得到了一些有意义的研究结果。具体内容如下：1)对试验数据进行滤波去噪处理,然后用Matlab编程对数据进行时域分析,探讨圆柱体的布置深度、内波振幅等对圆柱体垂向力的影响。结果表明：在靠近密度跃层时圆柱体垂向力比较大,离密度跃层较远时圆柱体垂向力比较小；圆柱体垂向力随着内波振幅增大而增大。2)对于布置在密度跃层处的横向圆柱体,分析内波振幅对圆柱体水平力的影响,得到相应的作用规律：圆柱体水平力随着内波振幅的增大而增大。3)对于内周期波试验得到的试验数据,通过快速傅里叶变换(FFT),得出圆柱体在内波作用下作用力的动力响应频谱图。分析发现圆柱体垂向力的主频率成分与内波频率基本一致,还存在一个两倍于主频率的成分。界面处的横向圆柱体水平力的主频率两倍于垂向力的主频率,同时也存在一个接近于内波频率的成分。对界面处圆柱体两个方向的力进行耦合后发现呈“8”字形。
【关键词】：内波 横置圆柱体 垂向力 水平力 耦合分析
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：P731.24;P75
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-11
• 1 绪论11-21
• 1.1 选题背景及研究意义11-15
• 1.2 国内外研究现状15-19
• 1.2.1 内波的数值模拟研究15-17
• 1.2.2 内波的实验室研究17-19
• 1.3 本文研究内容和创新点19-21
• 1.3.1 本文主要研究内容19-20
• 1.3.2 本文的主要创新点20-21
• 2 内波理论模型及试验内波作用力的数值估算21-31
• 2.1 内波的理论模型21-27
• 2.1.1 MCC理论模型22-24
• 2.1.2 KdV理论模型24-25
• 2.1.3 mKdV理论模型25-26
• 2.1.4 基于mKdV理论模型的波致流速和加速度26-27
• 2.2 莫里森(Morison)方程27-29
• 2.3 试验内波对试验模型作用力的模拟计算29-31
• 3 内波对横置圆柱体作用力试验设备及试验方法31-44
• 3.1 内波试验目的31
• 3.2 试验设备31-35
• 3.2.1 试验用内波水槽32-33
• 3.2.2 分层水制取系统33-35
• 3.3 造波方法以及波要素测量方法35-37
• 3.3.1 造波方法35-36
• 3.3.2 内波基本参数测量方法36-37
• 3.4 横置圆柱体模型37-40
• 3.5 试验测力系统及数据采集装置40-44
• 4 内周期波对横置圆柱体作用力的试验研究44-69
• 4.1 试验内容44-47
• 4.1.1 试验前准备44-45
• 4.1.2 试验过程中测得的内周期波基本参数45
• 4.1.3 试验工况45-47
• 4.2 数据处理及试验结果47-52
• 4.3 试验结果分析52-67
• 4.3.1 横置圆柱体垂向力的时间变化分析52-54
• 4.3.2 不同因素对横置圆柱体内波垂向力的影响分析54-59
• 4.3.3 横置圆柱体内波垂向力的响应频谱分析59-61
• 4.3.4 界面处横置圆柱体受力分析61-67
• 4.4 本章小结67-69
• 5 内孤立波对横置圆柱体作用力的试验研究69-77
• 5.1 试验内容69-70
• 5.1.1 试验前准备69-70
• 5.1.2 试验基本参数及试验工况70
• 5.2 数据处理及试验结果70-72
• 5.3 试验结果分析72-76
• 5.3.1 圆柱体垂向力的时间变化分析72-73
• 5.3.2 不同因素对圆柱体垂向力的影响73-75
• 5.3.3 内波振幅对密度跃层处横置圆柱体水平力的影响75-76
• 5.4 本章小结76-77
• 6 结论与展望77-80
• 6.1 本文主要结论77-78
• 6.2 存在的不足以及研究展望78-80
• 参考文献80-85
• 致谢85-86
• 个人简历86
• 发表的学术论文与研究成果86

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本文编号：899756