【摘要】：當(dāng)外界擾動(dòng)頻率與水域本征頻率一樣或接近時(shí)會(huì)發(fā)生水波共振,產(chǎn)生空間尺度相當(dāng)可觀的水面振蕩和流場(chǎng),對(duì)港口運(yùn)營(yíng)和船舶安全造成不利影響。港口的本征頻率由港口形狀和地形決定,合理的設(shè)計(jì)可以降低港口本征頻率與當(dāng)?shù)厝肷洳l率匹配的可能性,從而減小港灣振蕩的危害。因此,港灣振蕩的研究對(duì)港口設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)意義。本文基于拓展型緩坡方程和Boussinesq方程對(duì)港口的本征頻率和振蕩模態(tài)進(jìn)行了研究。拓展型緩坡方程采取有限元方法求解,可以模擬復(fù)雜的港池邊界,在本文中用于快速計(jì)算港口對(duì)不同頻率規(guī)則波的響應(yīng)特性。著名的開源程序Funwave2.0模型是基于完全非線性Boussinesq方程開發(fā)的,在本文中用于考慮非線性對(duì)港灣振蕩的影響。上述數(shù)值模型在本文中都通過(guò)解析解和模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。在此基礎(chǔ)上本文做了如下研究:(1)采用緩坡方程和Boussinesq方程模擬了港灣振蕩中的極端模態(tài)現(xiàn)象,研究了極端模態(tài)的形成機(jī)理、極端模態(tài)之間的差異以及非線性對(duì)極端模態(tài)的影響等問(wèn)題。結(jié)果表明,由于極端模態(tài)形成的流場(chǎng)的特殊性,能量只能以非常慢的速率在港內(nèi)積蓄,因而響應(yīng)時(shí)間十分漫長(zhǎng)。極端模態(tài)之間的差異由港口形狀決定,港口越封閉,極端模態(tài)的響應(yīng)越劇烈。非線性可以顯著地降低了極端模態(tài)的響應(yīng),并減少其達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間。(2)采用緩坡方程模擬了變水深細(xì)長(zhǎng)港和半圓形常水深海灣聯(lián)結(jié)而成的耦合港池的港灣振蕩現(xiàn)象。結(jié)果表明,半圓形海灣的存在改變了入射波況和細(xì)長(zhǎng)港的輻射阻尼從而影響了細(xì)長(zhǎng)港的共振特性。相關(guān)性分析表明,當(dāng)海灣與細(xì)長(zhǎng)港水體體積之比遠(yuǎn)大于2.5時(shí),海灣在耦合振蕩中占主導(dǎo)地位,聯(lián)結(jié)處和細(xì)長(zhǎng)港的響應(yīng)曲線在強(qiáng)度和變化趨勢(shì)上都有明顯的正相關(guān)關(guān)系。反之,細(xì)長(zhǎng)港和海灣在耦合振蕩中處于平等地位,響應(yīng)曲線之間只在強(qiáng)度上表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。(3)基于緩坡方程有研究了組合矩形港池的振蕩特性,探討了不同組合方式港池的響應(yīng)曲線和模態(tài)的變化。結(jié)果表明,拓展港池使得港口特征尺度變大,沿著主尺度振蕩的模態(tài)的本征頻率會(huì)變小。正常模態(tài)可能會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)闃O端模態(tài),反之亦然;由于極端模態(tài)在現(xiàn)實(shí)中很難得到發(fā)展,因此正常模態(tài)轉(zhuǎn)化為極端模態(tài)是有利的影響;想要合理地評(píng)估港灣振蕩的實(shí)際危害,必須以加權(quán)形式考慮當(dāng)?shù)厝肷洳ɡ瞬艿念l率分布。比如港口對(duì)某些頻率段的波浪有著非常弱的響應(yīng),通過(guò)合理設(shè)計(jì)使得這些頻率段與當(dāng)?shù)夭ㄒ叵嗥ヅ?可以很好地改善港內(nèi)泊穩(wěn)條件。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：U653.3

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