波流对三维结构物作用的频域模拟

论文摘要

自然状态下波浪和水流一般是同时存在的。对波浪和水流共存问题的研究比纯波浪场情况要复杂的多,因为水流和波浪是耦合作用的,综合形成的波流场并不是纯波浪场与纯水流场的简单叠加。本文采用高阶边界元方法在频域内对波浪、水流与结构物相互作用问题进行了理论研究和数值模拟,重点研究了水流参数的引入对单纯波浪作用下结构物水动力特性的影响。对于波流共存问题,利用一满足自由水面和远场边界条件的格林函数,可以将积分域限制在物面和自由水面上的一个有限区域。然而与纯波浪的情况相比,格林函数的计算是十分耗时的。本文采用摄动展开理论,在小流速假定下,将速度势和格林函数按与波陡有关的参数和与水流有关的参数进行摄动展开,其中和都为小参数。并且采用积分方程,消除了固角系数和部分奇异积分,改进积分中某些柯西主值积分的计算,从而使方程更为简化,计算更为迅速。为了验证本文数值模型的正确性,分别选取了三组模型,首先选取的是结构形式最简单的直立圆柱模型,模拟得到圆柱上水动力特性,并将计算结果与已发表的半解析结果和时域结果进行对比,结果吻合良好。随后根据Kinoshita（1995）所做的模型试验,模拟波、流与一个固定的四柱平台相互作用问题,模拟得到的波浪力等结果与试验结果均吻合良好。最后将模型延伸到无限水深中的浮动半球模型,模拟波、流与浮动物体相互作用问题,并将模拟结果与已发表的时域结果对比,结果吻合良好。从而证明了本文数值模型的正确性。接下来选取固定式四柱结构,重点研究不同水流参数下波浪与结构物相互作用问题。模拟得到了结构物上所受的一阶激振力和各位置处波浪爬高,对模拟结果随入射波浪周期和迎浪角的变化趋势进行分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 背景和研究意义
•   1.2 波、流与结构物相互作用研究进展
•   1.3 本文研究工作
• 2 基本理论与数值模型
•   2.1 波、流与三维物体相互作用数学模型
•     2.1.1 控制方程
•     2.1.2 边界条件
•     2.1.3 速度势的分解
•     2.1.4 积分方程的建立
•     2.1.5 速度势和格林函数的摄动展开
•   2.2 积分方程的离散和矩阵方程的建立
•     2.2.1 积分方程的离散
•     2.2.2 矩阵方程的建立
•   2.3 物体水动力特性求解
•     2.3.1 一阶波浪力和水动力系数的求解
•     2.3.2 二阶平均漂移力的求解
•     2.3.3 物体运动响应的求解
•     2.3.4 波浪爬高的求解
•   2.4 本章小结
• 3 波、流与结构物相互作用模型验证
•   3.1 直立圆柱模型验证
•     3.1.1 直立圆柱模型介绍
•     3.1.2 波流力结果对比
•     3.1.3 波浪爬高结果对比
•     3.1.4 二阶平均漂移力结果对比
•   3.2 四柱结构验证
•     3.2.1 Kinoshita（1995）试验模型介绍
•     3.2.2 波流力对比
•     3.2.3 二阶平均漂移力对比
•   3.3 浮动半球模型验证
•     3.3.1 浮动半球模型介绍
•     3.3.2 波流力对比
•     3.3.3 波浪爬高对比
•     3.3.4 运动响应对比
•   3.4 本章小结
• 4 水流对固定四柱结构波浪绕射模拟的影响分析
•   4.1 四柱结构模型及参数设置
•   4.2 水流参数的变化对模拟结果的影响分析
•     4.2.1 模拟结果随入射波浪周期变化趋势分析
•     4.2.2 模拟结果随迎浪角变化趋势分析
•   4.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 王硕

导师: 滕斌

关键词: 波流作用,频域模拟,高阶边界元法,波浪力,波浪爬高

来源: 大连理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,海洋学,水利水电工程

单位: 大连理工大学

分类号: P731.22;P75

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.001577

总页数: 68

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