【摘要】：自由面效應(yīng)和結(jié)構(gòu)物在自由面附近的運(yùn)動是水動力學(xué)研究的重點(diǎn)與難點(diǎn),也是船舶與海洋工程領(lǐng)域需要著重考慮的問題。海洋工程中的很多操作都需要考慮自由面效應(yīng)和波浪的影響,例如海洋平臺和船舶在風(fēng)浪中的運(yùn)動,水下航行器、機(jī)器人的布放和回收以及潛艇在近水面的定深航行、緊急上浮或者發(fā)射導(dǎo)彈等。因此,研究海洋結(jié)構(gòu)物在自由面附近的運(yùn)動,分析風(fēng)浪等因素對結(jié)構(gòu)物運(yùn)動的影響是很有必要的。本文研究二維簡單結(jié)構(gòu)物在自由面附近的運(yùn)動和興波問題,包括淺水域中浸沒橢圓柱的勻速運(yùn)動以及浸沒柱體與非線性波浪的耦合運(yùn)動,分析浸沒柱體勻速運(yùn)動的興波和波物耦合作用時(shí)波浪對于柱體運(yùn)動姿態(tài)的影響。忽略流體的粘性與可壓縮性,引進(jìn)速度勢來描述流場,在自由面和物體表面施加非線性邊界條件,采用邊界元方法(BEM)求解邊界值問題,采用時(shí)間步進(jìn)方法更新自由面,利用輔助函數(shù)法計(jì)算波浪載荷。同時(shí)為了數(shù)值計(jì)算的穩(wěn)定性,采用阻尼消波消除遠(yuǎn)方的波浪,避免波浪反射。本文首先模擬了二維浸沒橢圓柱體在淺水中以恒定水平速度運(yùn)動產(chǎn)生連續(xù)孤立波的問題,通過自身的收斂性分析驗(yàn)證了本文數(shù)值程序的可靠性,詳細(xì)描述了孤立波產(chǎn)生與發(fā)展的全過程,分析了孤立波中流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動規(guī)律,探討了橢圓柱的形狀和運(yùn)動速度對孤立波波形的影響。利用已生成的孤立波模擬了相同以及不同孤立波之間的對向碰撞問題,描述了碰撞過程中波形的變化和流場的特點(diǎn)。研究表明,孤立波的傳播與碰撞的實(shí)質(zhì)是波浪能量的傳播過程以及動能與勢能之間的平衡和相互轉(zhuǎn)化過程。結(jié)構(gòu)物在自由面附近運(yùn)動時(shí)會受到自由面上風(fēng)、浪、流等因素的影響,在淺水域中還會受底部壁面的影響�；谶吔缭椒ń⒍S浸沒圓柱與波浪耦合運(yùn)動的數(shù)值模型,模擬了圓柱在波浪影響下的運(yùn)動過程,分別分析了深水波浪和淺水波浪對圓柱運(yùn)動的影響,接著分析了波長、波幅、圓柱初始運(yùn)動狀態(tài)以及水深等因素對圓柱運(yùn)動的影響。最后利用之前的研究成果,模擬了二維浸沒圓柱與連續(xù)孤立波的耦合運(yùn)動,分析了孤立波與Stokes波對圓柱運(yùn)動狀態(tài)的不同影響。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：P75;TV139.2
【圖文】：

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文逡逑３．邋２數(shù)學(xué)模型逡逑如圖３．１所示，二維橢圓柱以速度《在水深為Ｊ的淺水中勻速向前運(yùn)動。橢圓柱的逡逑長、短軸半徑分別為ａ，潛深表示橢圓柱中心距離初始靜止自由面的距離。與船逡逑舶水動力學(xué)中的隨體坐標(biāo)系相似，坐標(biāo)系ｘｏｚ以速度ｗ隨橢圓柱向前移動，其中ｘ軸與逡逑橢圓柱運(yùn)動方向相同且與未受擾動時(shí)的自由面重合，ｚ軸垂直向上。圖中＆為橢圓柱表逡逑面，＼為瞬時(shí)自由面，＊＾、＆以及＼分別為左右兩側(cè)邊界以及底部邊界。逡逑Ｓ－邋ｄ邐ＳＥ逡逑ｓＢ邋ｕ逡逑ＳＤ逡逑圖３．１連續(xù)孤立波生成示意圖逡逑３．邋３程序驗(yàn)證逡逑基于第二章的理論，本人編寫了用于模擬二維沉浸結(jié)構(gòu)物勻速運(yùn)動的程序。程序的逡逑可靠性驗(yàn)證是研宄工作的基礎(chǔ)，只有證明了程序的正確性才能進(jìn)行下一步工作，后續(xù)的逡逑計(jì)算結(jié)果才有意義。本節(jié)通過與前人結(jié)果的對比和數(shù)值模擬的收斂性分析來驗(yàn)證數(shù)值程逡逑序的可靠性。逡逑３．３．邋１程序的可靠性驗(yàn)證逡逑沉浸圓柱的輻射問題是水動力學(xué)中的經(jīng)典問題，許多學(xué)者都對這一現(xiàn)象進(jìn)行了深入逡逑探討。Ｓｃｕｌｌｅｎ和ＴｕｃｋＷ采用某種迭代算法研宄浸深不變的二維圓柱以恒定水平速度移動逡逑引起的興波問題

圖３．３邋ａ／Ｚ＾Ｏ．２，ｗ／＾邋＝邋１．２時(shí)自由面的波形逡逑值模擬的收斂性驗(yàn)證逡逑通過數(shù)值模擬結(jié)果的收斂性分析進(jìn)一步驗(yàn)證程序的正確性，包括自算時(shí)間步長的收斂性驗(yàn)證。逡逑為水深傅汝德數(shù)，Ａ／是自由面上最小網(wǎng)格間距為，橢圓＝說，時(shí)間步長控制參數(shù)ｓ邋＝邋０．５ＷＡ／／ｆｌ，即時(shí)間步長Ａ／內(nèi)的水平位移比值，則計(jì)算的時(shí)間步長Ａｆ邋＝邋２６＊ａ／ｗ。逡逑１９逡逑

哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文逡逑別進(jìn)行網(wǎng)格與時(shí)間步長的收斂性分析。選取長短軸半徑分別為＝２ｗ的二維橢圓柱，其余參數(shù)：尸？＝１．０，ｃ／／ａ邋＝邋２．０，／？／0邋＝邋１．０。網(wǎng)格收斂性擇Ａ／＝邋０．１，０．２，０．３，０．４邋，邋０．５ｗ，時(shí)間步長收斂性分析分別選�。箦澹藉澹埃埃保板�，邋０．，邋０．０２５。圖３．４與圖３．５分別是不同網(wǎng)格與時(shí)間步長下ｓ邋＝邋６００0時(shí)孤立波的到，不同網(wǎng)格與時(shí)間步長下的孤立波波形吻合很好，進(jìn)一步說明了本文程序并且，隨著網(wǎng)格間距與時(shí)間步長的減小，不同曲線之間的差距變小，表明計(jì)收斂。為了兼顧計(jì)算的精度與效率，如無特殊說明，本章后續(xù)計(jì)算中自由面距與時(shí)間步長控制參數(shù)統(tǒng)一選�。粒澹藉澹埃常埃髋cｆ邋＝邋０．０１５。逡逑°－８邐＝

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本文編號：2766529