开敞水域完全非线性数值波浪模型的建立及在平台Ringing现象中的应用

论文摘要

随着海洋开发逐渐向深海领域发展,面临的海洋环境日益恶劣,要面对的波浪的非线性效应更加显著。非线性波浪的高频分量容易诱发海洋结构物产生spnnging和ringing现象,且随着水深的增加而加剧,对结构的安全性有很大的影响。因此研究波浪与结构物的非线性相互作用具有重要意义。本文基于势流理论,应用高阶边界元方法（HOBEM）建立了波浪与三维物体相互作用的完全非线性时域数值模型。该模型采用完全混合欧拉-拉格朗日（MEL）方法追踪流体瞬时水面,运用四阶龙格库塔法对自由水面边界条件和刚体运动方程进行数值积分,引入虚拟变量间接计算非线性波浪荷载,应用弹簧近似法生成的动网格技术对瞬时水面和瞬时物体湿表面网格进行重新剖分,利用插值技术求得自由水面新网格节点的物理量和几何量。本文建立了完全非线性数值波浪水槽模型,通过推板造波和源造波两种方法产生波浪。其中利用源造波法生成波浪,可以避免二次反射波浪问题。然而数值波浪水槽模型存在水槽侧壁反射和横向立波共振问题,因此很难准确模拟实际海洋环境中波浪与结构物的相互作用问题。针对数值波浪水槽的局限性,本文利用入散射波分离技术,建立和开发了新的开敞水域完全非线性数值波浪模型。该模型将入、散射波分离开,入射势通过五阶Stokes波理论解给定,散射势在瞬时总波面上满足完全非线性自由水面边界条件,建立了关于散射势的定解问题。与数值波浪水槽模型相比,该模型在圆域内进行模拟,消波过程容易实现,避免了水槽侧壁反射和横向立波共振问题；同时,应用该模型可以使用较少的网格单元完成同样精度的计算,计算效率更高。本文首先对完全非线性数值波浪水槽中波浪的传播及其对固定物体的绕射作用进行了研究,同时分析了数值波浪水槽的局限性。其次,利用开敞水域完全非线性数值波浪模型计算了波浪对固定物体的绕射作用、浮体强迫运动以及波浪与浮体的相互作用问题。将以上计算得到的波浪荷载、波面以及物体运动响应结果与已发表结果进行了对比,吻合良好；同时将开敞水域数值波浪模型的结果与频域二阶结果进行了对比,指出了二阶理论应用的局限性和本文方法的优势,此外,本文三阶绕射力与频域三阶结果吻合良好。最后,对TLP平台ringing现象进行了研究,系统地分析了入射波浪幅值和频率对平台垂荡方向和纵摇方向高频共振及张力腿张力的影响,发现与垂荡方向相比,平台纵摇方向的高频共振现象更加显著、影响的频率范围更广、对张力腿的张力影响更大。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• CONTENTS
• 图表目录
• 主要符号表
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 波浪与物体相互作用研究方法综述
• 1.2.1 频域理论
• 1.2.2 时域理论
• 1.3 海上结构物高频共振（Ringing）现象的研究概况
• 1.4 存在的主要问题
• 1.5 本文研究工作
• 2 时域分析的基本理论与数值模型
• 2.1 引言
• 2.2 初边值问题
• 2.2.1 流场定义和坐标系
• 2.2.2 控制方程
• 2.2.3 边界条件
• 2.2.4 初始条件
• 2.3 入射边界条件
• 2.3.1 有限水深Stokes波
• 2.3.2 深水Stokes波
• 2.4 速度势的时域求解
• 2.4.1 边界积分方程的建立
• 2.4.2 边界积分方程的离散
• 2.4.3 时间步进过程的实现
• 2.4.4 线性方程的求解
• 2.5 物体水动力荷载和运动响应的求解
• 2.5.1 刚体运动方程的建立
• 2.5.2 波浪荷载的计算
• 2.5.3 运动方程的求解
• 2.6 网格的生成方法
• 2.6.1 结构化网格
• 2.6.2 非结构化网格
• 2.7 弹簧近似法
• 2.7.1 弹簧近似法的描述形式
• 2.7.2 弹簧倔强系数的确定
• 2.8 网格的更新方法与插值技术
• 2.8.1 自由水面网格更新
• 2.8.2 物面网格更新
• 2.8.3 插值技术
• 2.9 计算流程
• 2.10 小结
• 3 完全非线性数值波浪水槽的建立及局限性分析
• 3.1 引言
• 3.2 数值波浪水槽的建立
• 3.2.1 入射边界条件
• 3.2.2 无穷远处辐射条件
• 3.2.3 水槽格林函数
• 3.2.4 数值水槽中波浪力计算
• 3.3 网格划分技术
• 3.3.1 数值水槽中自由水面网格的生成
• 3.3.2 垂向网格的生成
• 3.4 波浪在平底水槽内的传播
• 3.5 波浪在台阶式深水水槽内的传播
• 3.6 波浪对固定物体的绕射
• 3.7 数值波浪水槽的局限性分析
• 3.8 小结
• 4 开敞水域完全非线性数值波浪模型的建立
• 4.1 引言
• 4.2 开敞水域数值波浪模型的建立
• 4.2.1 无穷远处辐射条件
• 4.2.2 开敞水域格林函数
• 4.2.3 入散射波分离技术
• 4.2.4 开敞水域中波浪力的计算
• 4.3 完全非线性波浪对固定物体的绕射
• 4.3.1 与已发表数值及实验结果对比
• 4.3.2 与频域二阶理论对比及讨论
• 4.3.3 与频域三阶理论对比及讨论
• 4.4 小结
• 5 开敞水域中波浪与浮体完全非线性相互作用研究
• 5.1 引言
• 5.2 浮体的强迫运动
• 5.2.1 网格收敛性分析
• 5.2.2 模型验证
• 5.2.3 垂荡运动
• 5.2.4 纵荡运动
• 5.2.5 纵摇运动
• 5.3 波浪与浮体的完全非线性相互作用
• 5.3.1 与已发表数值结果对比
• 5.3.2 与频域二阶理论对比及讨论
• 5.4 小结
• 6 张力腿平台Ringing现象分析
• 6.1 引言
• 6.2 基本假定和ISSC TLP平台模型
• 6.3 张力腿受力计算
• 6.4 平台固有周期计算
• 6.4.1 无阻尼自由运动方程
• 6.4.2 等效刚度系数
• 6.4.3 固有周期的求解
• 6.5 粘性阻尼矩阵
• 6.6 频域线性数值结果
• 6.7 ISSC TLP平台高频共振现象分析
• 6.7.1 垂向固有频率下平台运动分析
• 6.7.2 纵摇固有频率下平台运动分析
• 6.7.3 入射波浪频率的影响分析
• 6.8 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 本文结论
• 7.2 研究展望
• 创新点摘要
• 参考文献
• 攻读博士学位期间科研项目及科研成果
• 致谢
• 作者简介
• 获奖情况