小尺度水平柱体在水波与内波场中的受力模拟

论文摘要

近年来,港口、海岸及海上采油事业的发展极为迅速。海工结构物要承受风、浪、流等环境荷载作用,其中波浪是海上建筑物所经受的最主要的动力荷载,是设计海上工程需考虑的关键因素。加之近年来相继发生水下设施的严重破坏,特别是海底输油管线的破坏导致石油泄漏,对海洋生态环境造成了巨大污染。因此,波浪与细长结构物的相互作用研究有着十分重要的理论意义和广阔的应用前景。本文建立了二维表面波和内波数值波浪水槽,并针对细长型柱体所受的波浪和内波载荷进行了数值模拟,研究内容和结论如下:（1）:采用VOF法跟踪相界面,连续性方程和N-S方程为控制方程,入流边界采用推板造波技术,末端设置人工衰减层用来消波,采用有限体积法离散控制方程,建立二维数值波浪水槽;通过与理论值比较,验证了纯波条件下的造波及消波效果,证实了波浪水槽的有效性;（2）:在波浪场数值模拟结果的基础上,采用Morison公式计算了波浪场中细长水平圆柱体的波浪力,为将Morison公式引入内波场应用奠定基础;实验发现表面波场中物体受力规律和速度变化规律相似,并证明了迁移加速度相对当地加速度是小量;（3）:建立二维内波数值波浪水槽,采用Morison公式结合数模结果计算了内波场中细长水平圆柱体的受力;进一步针对Holmboe连续密度分层情况,计算了圆柱体的受力;证实了迁移加速度相对当地加速度是小量对表面波与内波相互作用场仍然成立;表面波对内波的影响不可忽略;内波场产生的水平波浪力幅值较小,只是在水平方向引入高波数振型,增加了水平方向上多圆柱体结构发生共振的几率;惯性力远大于拖曳力等;（4）:采用源项造波方法,通过在动量方程中添加动量源,建立了二维数值波浪水槽,实现了数值造波和消波,包括前端消波和尾端消波;模拟了波浪场中结构物的波浪荷载,模拟结果与Morison公式结果进行了比较;最后给出了光滑水平方柱体波浪力系数的建议取值:C D=2.05、C M= 1.9。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及研究意义
• 1.2 波浪及波浪力的数值研究综述
• 1.2.1 波浪数值模拟概述
• 1.2.2 波浪力数值模拟概述
• 1.3 本文主要工作
• 第二章 数学模型与数值方法
• 2.1 数学模型
• 2.1.1 控制方程
• 2.1.2 定解条件
• 2.2 数值处理技术
• 2.2.1 自由表面跟踪技术
• 2.2.2 造波技术
• 2.2.3 消波技术
• 2.3 方程的离散及求解
• 2.4 网格技术
• 第三章 表面波场中小尺度水平柱体受力数值分析
• 3.1 模型建立
• 3.2 模拟结果
• 3.3 基于Morison公式的小物体波浪力计算
• 3.3.1 Morison公式
• 3.3.2 波浪力计算结果
• 第四章 海洋内波及小尺度水平柱体内波荷载数值研究
• 4.1 海洋内波概述
• 4.1.1 界面内波
• 4.1.2 密度连续变化海洋内波
• 4.2 密度层化流体内波模拟及物体受力计算
• 4.2.1 模型建立
• 4.2.2 模拟结果
• 4.2.3 波浪力计算与分析
• 4.3 典型海洋三层模式内波模拟及物体受力计算
• 4.3.1 模型建立
• 4.3.2 模拟结果
• 4.3.3 波浪力计算
• 第五章 小尺度水平柱体的波浪荷载数值仿真实验
• 5.1 模型建立
• 5.1.1 未放结构物模型建立
• 5.1.2 放置结构物模型建立
• 5.2 模拟结果
• 5.3 与Morison公式计算结果比较
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢