【摘要】： 海洋內(nèi)孤立波是一種攜帶巨大能量的特殊內(nèi)波,它能夠在海洋中長距離傳播而保持波形基本不變。當水下航行潛體遭遇這種強非線性的內(nèi)孤立波時,其穩(wěn)定性、操縱性甚至安全性會受到很大影響。雖然這一問題的嚴重性和迫切性已經(jīng)引起了各國政府和軍方的高度重視,但目前所能見到并能夠指導(dǎo)實踐應(yīng)用的研究工作還相當少。為響應(yīng)我國實現(xiàn)海洋強國戰(zhàn)略的目標,研究內(nèi)孤立波與潛體相互作用問題將具有重要的學術(shù)意義和實際應(yīng)用價值。 首先,本文在系統(tǒng)的回顧和總結(jié)目前國內(nèi)外有關(guān)內(nèi)波與結(jié)構(gòu)物相互作用研究進展的基礎(chǔ)上,基于FLUENT軟件平臺的二次開發(fā),提出了采用VOF技術(shù)追蹤兩層流體內(nèi)界面,利用設(shè)置造波邊界法給定波浪入口條件,輔以數(shù)值耗散方法消波,建立具有較強實用性的內(nèi)孤立波數(shù)值水槽的模型,該水槽可以穩(wěn)定的完成長時間的潛體在內(nèi)孤波中運動的模擬計算;其次,提出了在所建立水槽中模擬不同潛深的水下固定潛體(矩形和6:1橢圓)遭遇內(nèi)孤立波過程的數(shù)學模型,獲得了內(nèi)孤立波作用下潛體外載荷特性,結(jié)果表明潛體位于內(nèi)孤立波波谷中時受到的內(nèi)孤立波載荷最為嚴重,由于幾何差異,6:1橢圓的外載荷水動力曲線較矩形的光滑;最后,提出了運用移動網(wǎng)格技術(shù)解決懸浮潛體在內(nèi)孤立波作用下縱搖和升沉兩個自由度耦合的運動響應(yīng)問題,在準確預(yù)報強非線性波與運動結(jié)構(gòu)物的相互作用這一難題上取得了突破。結(jié)果表明,在內(nèi)孤立波作用下,潛體的懸浮姿態(tài)會發(fā)生突變,能在幾分鐘內(nèi)做很大幅度的俯仰運動;考慮潛體自身的回復(fù)力矩后,潛體的縱傾沒有上述大幅度的變化,但表現(xiàn)出了很強的顛簸性。此外,運動潛體的外載荷特性與固定情況也明顯不同。 應(yīng)當指出,本文的工作是在內(nèi)孤立波與水下潛體波體耦合的數(shù)值模擬領(lǐng)域所邁出的第一步。本文的研究證實了內(nèi)孤立波對于水下航行器的安全性是有重要影響的,本文的結(jié)論對于潛體的型線優(yōu)化設(shè)計、強度設(shè)計等,以及航行中潛體為避免遭受內(nèi)孤立波危害所采取的操作等可提供科學的指導(dǎo)。
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華南理工大學碩士學位論文2圖1-1 中國南海北部內(nèi)孤立波分布內(nèi)波可以同時向深海區(qū)和淺水區(qū)傳播相當遠的距離，遇到某些特殊地形時，內(nèi)波還會裂變產(chǎn)生大振幅的內(nèi)孤立波[4]。大振幅的內(nèi)孤立波傳播過程中會引起海水強烈的幅聚幅散和突發(fā)性的強流，對于跨越密躍層的潛艇產(chǎn)生剪切作用，當運動物體(如潛艇和魚雷等)穿越內(nèi)孤立波影響區(qū)域時，其運動穩(wěn)定性或運動姿態(tài)可能會發(fā)生變化，從而改變其運動軌跡，這對海軍戰(zhàn)場環(huán)境的建設(shè)和研究是非常重要的。內(nèi)孤立波對潛艇的影響包括潛艇的“適航性”、“耐波性”、“安全性”及航道航線的選取，潛艇的探測和反探測等。例如，水下航行的潛艇如遇到突然而至的強內(nèi)孤立波，航行深度就會發(fā)生急劇變化。潛艇可能被拋出水面，也可能被死死地壓到潛艇的極限深度以下。潛艇的浮沉系統(tǒng)為補償內(nèi)波所造成的升降

速度是一個三角形的近似函數(shù)，而不能給出很精確的行波解，給實驗帶來一定的局限；另一方面，該水槽產(chǎn)生內(nèi)孤立波時由于擾動會伴隨著尾波列的出現(xiàn)。圖1-2 內(nèi)孤立波傳播實驗設(shè)置簡明示意圖[20]圖1-3 內(nèi)孤立波傳播實驗設(shè)置簡明示意圖[24]然而，，分層流物理水槽相比表面波水槽復(fù)雜很多，配制出穩(wěn)定的分層流體，要消耗很多時間和經(jīng)費，為得到質(zhì)量高的穩(wěn)定分層流體，需要緩慢的向水槽注入流體，需要十幾個小時左右，并且?guī)状卧囼灪螅黧w分層效果已達不到實驗要求，需要換水重新配置。近些年來，計算機的發(fā)展使數(shù)值方法模擬內(nèi)孤立波得到迅速發(fā)展。Liu[27-28]在 KdV方程的基礎(chǔ)上，通過引入地形效應(yīng)、旋轉(zhuǎn)分量、徑向傳播等參數(shù)，研究了 Sulu 海與 NewYork 灣內(nèi)波的傳播，通過研究不同環(huán)境參數(shù)對內(nèi)波傳播形態(tài)的影響，獲得了研究海域
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2010
【分類號】：P731.22

【參考文獻】

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本文編號：2695951