基于Bragg共振的多块竖直板消波性能数值计算研究

论文摘要

随着海洋开发的不断深入,海上施工以及海上建筑物的防护尤为重要。水面多块竖直板防波堤,作为多种防波堤中一种,具有保护海底地形、适用深水环境等优点,受到了广泛的关注。当波浪与周期性结构物相互作用时,会发生Bragg共振现象,严重影响该结构物的消波性能。因此研究水面多块竖直板防波堤与波浪相互作用对该防波堤的合理布置具有重要意义。本文基于势流理论,采用非奇异边界元方法,建立了数值波浪水槽,对水面多块竖直板的消波性能和Bragg共振特点进行研究。非奇异边界元方法基于三维Rankine源,将源点分布流场边界之外。该模型采用混合欧拉-拉格朗日法追踪流体的瞬时液面,运用四阶Adams预测修正方法对自由液面边界条件进行数值求解;采用人工阻尼区的方式来消除水槽末端壁面的反射;采用样条曲线插值,求解波面抬高的一阶导数;采用五点光顺法对自由液面上的速度势和波面抬高进行光顺,消除自由面形状的“锯齿”不稳定;采用缓冲函数来避免输入初始值过大造成的求解过程发散。首先,讨论网格尺寸、时间步长和去奇异距离对数值造波结果的影响,确定合适的造波参数,并对数值波浪水槽中数值造波的计算方法进行验证。结果表明,网格尺寸以及水槽源点外离距离在一定范围内对数值造波的影响很小,若其值超出范围,过大或过小时,均会使计算结果不准确或者无法计算。然后,讨论了板物面的计算参数（简称板参数）对水面竖直单板的透射系数的影响,确定合适的板参数。在此基础上,对数值波浪水槽中波浪与水面竖直单板、双板和三板相互作用的数值计算方法进行了验证:（1）将单板模型的透射系数和反射系数的数值解与已有文献的解析解进行比较,结果吻合很好;（2）将双板和三板模型的透射系数的数值解与试验结果进行比较,结果吻合很好。最后,对水面多块竖直板防波堤的消波性能及其Bragg共振现象进行研究,讨论了该防波堤透射系数和反射系数随着板数和浸深变化的规律,分析Bragg共振发生的位置和该位置处透射系数和反射系数值受板数和浸深的影响。结果表明:（1）随着板数和浸深的增加,在Bragg共振区,水面多块竖直板防波堤的性能逐渐增强,在不利区和全反射区,水面多块竖直板防波堤的性能变化不大;（2）Bragg共振发生位置为2S/L=0.95附近,受板数和浸深的影响较小,但Bragg共振处的透射系数和反射系数值受板数和浸深的影响很大,反射系数值随着板数和浸深的增加而增加,透射系数值随着板数和浸深的增加而减小。

论文目录

• 中文摘要
• abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 背景和意义
•   1.2 文献综述
•     1.2.1 板式结构物研究综述
•     1.2.2 Bragg共振研究综述
•     1.2.3 非奇异边界元方法研究综述
•   1.3 本文的主要工作
• 第2章 时域数值波浪水槽理论基础
•   2.1 数值波浪水槽模型建立
•   2.2 初边值问题
•     2.2.1 控制方程
•     2.2.2 边界条件
•     2.2.3 初值条件
•   2.3 问题求解的方法
•     2.3.1 非奇异边界元方法
•     2.3.2 边界条件的离散
•     2.3.4 混合欧拉-拉格朗日法
•     2.3.5 相关数值计算技术
•   2.6 本章小结
• 第3章 数值计算及其验证
•   3.1 数值计算模型
•   3.2 数值造波参数讨论
•     3.2.1 网格尺度的影响
•     3.2.2 时间步长的影响
•     3.2.3 源点外离距离的影响
•     3.2.4 数值造波参数总结
•     3.2.5 数值造波方法验证
•     3.2.6 数值造波参数的适用范围分析
•   3.3 单板模型数值计算及验证
•     3.3.1 透射系数和反射系数处理方法
•     3.3.2 单板数值计算参数的影响
•     3.3.3 单板模型数值计算验证
•   3.4 多体模型验证
•     3.4.1 试验设备及试验工况
•     3.4.2 数值计算参数
•     3.4.3 双板模型验证
•     .4.4三板模型验证
•   3.5 本章小结
• 第4章 水面多块竖直板防波堤的消波性能和Bragg共振分析
•   4.1 引言
•   4.2 数值计算方案
•     4.2.1 计算海况
•     4.2.2 相似准则
•     4.2.3 波浪参数和防波堤参数的确定
•     4.2.4 计算模型参数设置
•   4.3 消波性能和Bragg共振现象分析
•     4.3.1 板数的影响
•     4.3.2 板浸深的影响
•   4.4 本章小结
• 第5章 结论和展望
•   5.1 结论
•   5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间参与科研及发表成果情况

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 盘俊

导师: 吴静萍

关键词: 非奇异边界元方法,数值波浪水槽,水面多块竖直板,共振

来源: 武汉理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 武汉理工大学

分类号: P75

DOI: 10.27381/d.cnki.gwlgu.2019.001558

总页数: 79

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