剪切流中极端波浪对直立圆柱作用力实验研究

论文摘要

极端波浪是波浪的一种特殊的情况,具有很强的破坏作用,合理的估测我国海域内极限波浪的生成和发展演变迫在眉睫。以往大量研究发现,波浪对海上工程结构建筑物以及桩承台,圆柱等基础与上部结构的影响往往伴随着水流,并且实际海洋中的水流往往不是均匀流而是带有一定流速梯度的剪切流。在以往的研究中,不乏波浪水流相互作用的物理实验和数值模拟。但针对剪切流情况下波浪对结构物作用的相关研究却行之甚少。本文将通过剪切流作用下的波浪作用物理模型实验探究来模拟真实海浪对建筑物的作用,本文实验将对实际海洋工程应对相应的波浪作用起到一定的指导作用,也能略微填补国内对剪切流波浪作用领域的空白,同时起到承前其后的作用,为日后从事该领域的科研工作者进行继续研究带来极大的便利。本文通过物理实验研究浪特性及其对直立圆柱式结构物的作用,同时数值分析了聚焦波浪的波面传播及其水动力特性,具体步骤如下:首先进行实验的方案设计,探究规则波,均匀流,剪切流的产生方法,在海岸工程国家重点实验室的PIV水槽中进行实际的物理模型实验,生成不同参数下的规则波,利用实验室及自制的导流装置生成不同流速的均匀流和剪切流;之后采用理论公式计算与波浪物理作用实验相互结合的方法,对规则波聚焦波浪及其水动力特性进行了较为全面的分析研究。理论分析主要基于莫里森公式所展开,关于半理论半经验的莫里森公式中具体的参数参考《港口水文规范》与《波浪对海岸建筑物作用》中的规定以及解释;对于剪切流和均匀流情况,则是在莫里森方程基础上进行改进,其中均匀流将流速作为常数处理,剪切流流速作为一次函数处理;关于聚焦波部分,首先对聚焦波进行凑谱,凑谱采用造波机自带的聚焦波凑谱程序,通过修改参数,并用波高采集仪器对所凑聚焦波的波高数据,分析是否达到实验所需聚焦波波况;对于叠加均匀流剪切流的聚焦波工况,首先测试聚焦点的位置变化,得到符合要求的不同水流环境下的聚焦波后,仍采用莫里森公式进行计算。对与规则波,理论计算的结果与实际测量值较为吻合,在增加逆流的情况下,水流对波浪产生类似缓冲的的作用从而使波浪力相对较小,同时逆流对波浪本身亦有影响。在水流流速过大的环境下规则波的波浪出现了不稳定甚至破碎的情况。聚焦波浪作用下直立圆柱所受的正向总力时间过程线及能量谱,随波浪参数的变化同样与聚焦波面的变化趋势相一致。规则波作用下最大正向总力高于Morison公式的理论结果,而聚焦波作用下的最大正向总力又高于规则波的结果。同时最大正向总力随相对柱径的增加而增大。聚焦波作用下正向总力的传递函数与规则波作用的结果及理论传递函数具有一致的变化趋势,即传递函数随着频率的增大而逐渐增大。波浪参数同样对聚焦波正向总力的频率响应函数影响较小。在逆流环境下,波浪峰值度和偏度有所增加,而波浪对圆柱作用力总体减小。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 课题研究的背景与意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 波流相互作用的研究
•     1.2.2 波浪作用结构物的研究
•   1.3 本文主要研究内容和研究方法
• 2 实验介绍
•   2.1 实验总体布置
•   2.2 波浪数据采集相关设备和技术
•     2.2.1 设备仪器
•     2.2.2 测量技术
•   2.3 实验工况
•     2.3.1 规则波浪的模拟
•     2.3.2 聚焦波浪的模拟
•   2.4 实验内容
•     2.4.1 纯规则波及规则波与均匀流和规则波与剪切流相互作用力
•     2.4.2 聚焦波及聚焦波与均匀流和聚焦波与剪切流相互作用力
• 3 规则波波浪特性和在均匀流剪切流环境下对圆柱作用力分析
•   3.1 纯规则波浪特征及受力分析
•   3.2 规则波均匀流相互作用
•   3.3 规则波与剪切流相互作用
•   3.4 小结
• 4 聚焦波波浪特性和在均匀流剪切流环境下对圆柱作用力分析
•   4.1 聚焦波的生成方法和相关特性
•   4.2 聚焦波与水流相互作用研究
•   4.3 小结
• 5 结论与展望
•   5.1 结论
•   5.2 展望
• 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: 魏东远

导师: 马玉祥

关键词: 均匀流,剪切流,规则波,聚焦波,圆柱

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: 地球物理学,水利水电工程

单位: 大连理工大学

分类号: TV139.2

DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.002097

总页数: 71

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