本文關(guān)鍵詞：海洋工程粘性數(shù)值波浪水池開發(fā)及應(yīng)用　出處：《上海交通大學(xué)》2014年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

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【摘要】：波浪水池在海洋工程中具有重要地位,許多復(fù)雜水動力學(xué)問題的研究都離不開波浪水池。隨著計算流體力學(xué)CFD技術(shù)的發(fā)展,開發(fā)數(shù)值波浪水池、研究波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用已經(jīng)成為熱點研究問題。同時,作為物理波浪水池的重要輔助手段,數(shù)值波浪水池的發(fā)展和完善也具有重要意義,不僅可以對結(jié)構(gòu)物水動力性能進行預(yù)報,還可以通過分析全流場信息,深入認(rèn)知復(fù)雜流動現(xiàn)象的物理機理,為結(jié)構(gòu)物設(shè)計優(yōu)化提供幫助。本文旨在開發(fā)能有效考慮流體粘性、求解強非線性波物相互作用問題的計算程序,建立三維粘性數(shù)值波浪水池,應(yīng)用于模擬研究海洋工程中的波物相互作用問題。本文以開源程序庫Open FOAM為開發(fā)平臺,通過求解粘性兩相流控制方程Navier-Stokes方程,采用VOF方法確定自由面,構(gòu)建了三維粘性數(shù)值波浪水池。并將數(shù)值波浪水池模塊化,與團隊合作開發(fā)的物體六自由度運動模塊、系泊系統(tǒng)模塊相集成,形成一套可以有效求解復(fù)雜波物相互作用問題的水動力學(xué)求解器naoe-FOAM-SJTU。本文首先對開發(fā)平臺Open FOAM中采用的數(shù)學(xué)模型和數(shù)值算法進行了闡述。采用多個不同標(biāo)準(zhǔn)算例對粘性流體控制方程Navier-Stokes方程求解算法、VOF自由面處理方法進行了驗證。結(jié)果表明:基于Open FOAM的基本數(shù)值方法可以有效的模擬粘流流動以及帶自由面的復(fù)雜流動現(xiàn)象,保證了基于Open FOAM平臺開發(fā)粘性數(shù)值波浪水池工作的可行性。本文基于Open FOAM中的不可壓縮粘性兩相流求解程序,開發(fā)了三維粘性數(shù)值波浪水池。將仿推板造波、仿?lián)u板造波、速度入口輸入式造波方法應(yīng)用于求解程序中,實現(xiàn)了完善的造波功能;通過在動量方程中添加阻尼源項,實現(xiàn)了消波功能,有效消除了波浪的反射干擾問題。并建立了較為完善的波浪理論庫、波浪譜庫。不僅實現(xiàn)了對規(guī)則波的模擬,還采用波浪聚焦模型實現(xiàn)了對畸形波的模擬。通過對規(guī)則波的數(shù)值模擬,驗證了數(shù)值波浪水池的造波功能、消波功能,分析了計算網(wǎng)格對模擬結(jié)果的影響,并給出了模擬規(guī)則波時的基本網(wǎng)格尺度參考。為進一步驗證數(shù)值波浪水池模擬非線性波和三維波的能力,本文進行了大量造波實驗,模擬了規(guī)則波的非線性演化、孤立波、瞬時極限波、多向不規(guī)則波、多向聚焦波等,并與理論結(jié)果或試驗結(jié)果進行了比較。結(jié)果表明:所開發(fā)的數(shù)值波浪水池具有功能強大的、效果優(yōu)良的造波系統(tǒng),可以為波物相互作用問題提供有效的波浪條件。本文應(yīng)用求解器naoe-FOAM-SJTU數(shù)值模擬研究了波浪爬高問題。首先,對不同參數(shù)的規(guī)則波、強非線性孤立波在單個直立圓柱上的波浪爬高問題進行了數(shù)值模擬。計算得到的波浪爬高、波浪力結(jié)果與實驗結(jié)果吻合地很好,驗證了求解器naoe-FOAM-SJTU處理波物相互作用問題的可靠性,可以準(zhǔn)確合理的預(yù)報波浪載荷和波浪爬高。同時,分析了波物相互作用過程中的自由面演化過程,以及粘性效應(yīng)引起的漩渦結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生和耗散。本文還對多個圓柱的波浪爬高問題進行了模擬研究,分析了不同波浪入射角度、圓柱間距等因素對波浪載荷、波浪爬高值的影響。結(jié)果表明:圓柱間的相互干擾會使前排圓柱受到波浪力和波浪爬高增大,同時也會使發(fā)生最大爬高的位置發(fā)生改變。對波浪爬高問題的數(shù)值模擬研究表明了求解器naoe-FOAM-SJTU可以有效的求解波物相互作用問題,為預(yù)報結(jié)構(gòu)物的水動力性能提供了新的工具。本文針對海洋工程領(lǐng)域十分關(guān)心的浮體運動響應(yīng)問題進行了數(shù)值模擬研究。首先構(gòu)建了二維數(shù)值波浪水池,對浮體在規(guī)則波、聚焦波條件下的運動響應(yīng)分別進行了模擬研究,再現(xiàn)了浮體與波浪相互作用過程中發(fā)生的甲板上浪現(xiàn)象。數(shù)值模擬結(jié)果與物理模型試驗結(jié)果較好的吻合,驗證了求解器naoe-FOAM-SJTU求解浮體自由運動問題、甲板上浪問題的可靠性。本文進一步應(yīng)用求解器naoe-FOAM-SJTU中的系泊系統(tǒng)模塊,研究了帶系泊系統(tǒng)的實尺度海洋平臺的運動響應(yīng)問題,預(yù)報了海洋平臺在大波陡規(guī)則波、強非線性畸形波條件下的運動響應(yīng),并分析了強非線性自由面情況和系泊系統(tǒng)對平臺運動的限制作用,驗證了系泊系統(tǒng)模塊的有效性。本文基于Open FOAM平臺開發(fā)了三維粘性數(shù)值波浪水池,通過對多種不同類型波浪的有效模擬,展示了數(shù)值波浪水池強大的造波功能。對波浪爬高問題、浮體運動響應(yīng)問題,以及甲板上浪現(xiàn)象的有效模擬,表明了求解器naoe-FOAM-SJTU處理復(fù)雜波物相互作用問題的能力,并能有效考慮流體粘性的影響,為深入研究海洋工程水動力問題提供技術(shù)支持。同時,所開發(fā)的數(shù)值波浪水池和求解器naoe-FOAM-SJTU具有開放的源程序代碼、模塊化的程序結(jié)構(gòu)、良好的可擴展性,有利于程序優(yōu)化以及更多應(yīng)用功能的擴展開發(fā)。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：P75;P731.2

【參考文獻】

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本文編號：1325634