基于斜滑理論、水波理論和耐波性理論,提出了可以快速預(yù)報(bào)小塊浮冰在波浪作用下三自由度運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的計(jì)算方法;基于STAR-CCM+軟件,采用VOF造波功能,建立三維Stokes波浪水槽,研究單塊浮冰與Stokes波浪相互作用.計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本符合,驗(yàn)證了本文計(jì)算結(jié)果的有效性.基于此,研究了不同參數(shù)下浮冰運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子,包含波長(zhǎng)、波高和冰厚等,并獲得不同參數(shù)的影響規(guī)律.結(jié)果表明:正方形薄冰三個(gè)自由度的響應(yīng)幅值算子曲線均隨著相對(duì)波長(zhǎng)的增加而逐漸趨近于1,而立方體浮冰的垂蕩運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子曲線在相對(duì)波長(zhǎng)接近8～9時(shí)發(fā)生了共振現(xiàn)象;浮冰的縱向漂移速度明顯受到波高影響,與波高呈平方關(guān)系. 

【文章來(lái)源】：華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2020,48(10)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：6 頁(yè)

【部分圖文】：

理論方法和數(shù)值模擬計(jì)算的縱向位移對(duì)比圖2中理論方法預(yù)測(cè)的縱蕩幅值明顯大于數(shù)值

笥謔??計(jì)算結(jié)果．這可能是因?yàn)樾被碚撛谟?jì)算中假設(shè)浮冰濕表面面積是保持不變的，如圖3(a)所示，而真實(shí)情況下浮冰的濕表面面積在縱搖影響下會(huì)不斷變化，且當(dāng)浮冰發(fā)生越浪(overwash)[7]時(shí)，浮冰的濕表面面積會(huì)明顯增大，如圖3(b)所示．濕表面積的增大顯著增加了浮冰的附加質(zhì)量力和拖曳力，導(dǎo)致浮冰的縱蕩幅值減小，低于理論預(yù)測(cè)值．另一方面，理論結(jié)果與理論模型中選取的mC，wC等參數(shù)有關(guān)系，這也是造成誤差的另一可能原因[1]．圖3浮冰運(yùn)動(dòng)到波峰位置時(shí)理論模型和數(shù)值模擬的對(duì)比圖4和5分別給出了采用理論模型和數(shù)值模擬計(jì)算得到的升沉位移和縱搖角變化曲線．圖4中Z為垂向位移．從圖中可見(jiàn)：在數(shù)值計(jì)算中浮冰運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后，數(shù)值計(jì)算結(jié)果和理論結(jié)果的周期幾乎一致．對(duì)于升沉位移，理論結(jié)果的峰值略小于數(shù)值計(jì)算結(jié)果；對(duì)于縱搖角，理論結(jié)果精確對(duì)稱，而數(shù)值計(jì)算結(jié)果相當(dāng)于理論結(jié)果向下略有偏移．總體而言，理論結(jié)果和數(shù)值模擬的升沉位移和縱搖角符合較好，在誤差允許條件下，可用理論結(jié)果近似預(yù)報(bào)浮冰這兩個(gè)自由度的響應(yīng)．圖4理論方法和數(shù)值模擬計(jì)算的垂向位移對(duì)比曲線圖5理論方法和數(shù)值模擬計(jì)算的縱搖角對(duì)比曲線4不同參數(shù)下浮冰運(yùn)動(dòng)響應(yīng)變化規(guī)律4.1波長(zhǎng)影響參照文獻(xiàn)[5]的試驗(yàn)，本研究保持波陡不變，改變波長(zhǎng)．為了觀察波長(zhǎng)變化對(duì)于海冰的影響，這里選擇兩種不同類型的海冰：一種是所述的正方形薄冰(30cm×30cm×5cm)，另一種是立方體冰(20cm×20cm×20cm)．正方形薄冰和立方體冰分別對(duì)應(yīng)著薄的層冰分離出來(lái)的浮冰片和受擠壓的厚冰(如破冰船擠壓后的冰)分離出來(lái)的冰塊，這在北極實(shí)際航行中是最常見(jiàn)的兩種浮冰形式．設(shè)相對(duì)波長(zhǎng)為

獾畝員?圖4和5分別給出了采用理論模型和數(shù)值模擬計(jì)算得到的升沉位移和縱搖角變化曲線．圖4中Z為垂向位移．從圖中可見(jiàn)：在數(shù)值計(jì)算中浮冰運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定后，數(shù)值計(jì)算結(jié)果和理論結(jié)果的周期幾乎一致．對(duì)于升沉位移，理論結(jié)果的峰值略小于數(shù)值計(jì)算結(jié)果；對(duì)于縱搖角，理論結(jié)果精確對(duì)稱，而數(shù)值計(jì)算結(jié)果相當(dāng)于理論結(jié)果向下略有偏移．總體而言，理論結(jié)果和數(shù)值模擬的升沉位移和縱搖角符合較好，在誤差允許條件下，可用理論結(jié)果近似預(yù)報(bào)浮冰這兩個(gè)自由度的響應(yīng)．圖4理論方法和數(shù)值模擬計(jì)算的垂向位移對(duì)比曲線圖5理論方法和數(shù)值模擬計(jì)算的縱搖角對(duì)比曲線4不同參數(shù)下浮冰運(yùn)動(dòng)響應(yīng)變化規(guī)律4.1波長(zhǎng)影響參照文獻(xiàn)[5]的試驗(yàn)，本研究保持波陡不變，改變波長(zhǎng)．為了觀察波長(zhǎng)變化對(duì)于海冰的影響，這里選擇兩種不同類型的海冰：一種是所述的正方形薄冰(30cm×30cm×5cm)，另一種是立方體冰(20cm×20cm×20cm)．正方形薄冰和立方體冰分別對(duì)應(yīng)著薄的層冰分離出來(lái)的浮冰片和受擠壓的厚冰(如破冰船擠壓后的冰)分離出來(lái)的冰塊，這在北極實(shí)際航行中是最常見(jiàn)的兩種浮冰形式．設(shè)相對(duì)波長(zhǎng)為/cλλL．對(duì)于縱蕩和垂蕩運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子(RAO)定義為縱蕩和垂蕩運(yùn)動(dòng)的幅值與波高之比；對(duì)于縱搖運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子定義為縱搖角幅值與最大波傾角mθ的比值，即FRAO．首先觀察不同相對(duì)波長(zhǎng)下正方形薄冰的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子，這里為和試驗(yàn)保持一致，保持=0.044不變，改變波長(zhǎng)從0.7，0.9，1.2，1.5，1.8，2.1，2.4到3.0m．圖6給出了不同λ下正方形薄冰的縱蕩、垂蕩和縱搖運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)幅值算子曲線，其中對(duì)于縱蕩和垂蕩，試驗(yàn)值

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]基于內(nèi)薄層法的船冰碰撞載荷機(jī)理探究[J]. 胡嘉駿,南明宇,汪雪良,劉俊杰.  華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版). 2019(07)
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[3]波浪對(duì)渤海近岸海冰沖擊作用的數(shù)值模擬[J]. 楊春忠,劉長(zhǎng)根,房河宇,馬慧敏.  水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展（A輯）. 2017(02)



本文編號(hào)：3147003