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)報小塊浮冰在波浪作用下三自由度運動響應(yīng)的計算方法;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.計算結(jié)果與試驗結(jié)果基本符合,驗證了本文計算結(jié)果的有效性.基于此,研究了不同參數(shù)下浮冰運動響應(yīng)幅值算子,包含波長、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:正方形薄冰三個自由度的響應(yīng)幅值算子曲線均隨著相對波長的增加而逐漸趨近于1,而立方體浮冰的垂蕩運動響應(yīng)幅值算子曲線在相對波長接近8～9時發(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. 

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

【文章頁數(shù)】：6 頁

【部分圖文】：

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

笥謔??計算結(jié)果．這可能是因為斜滑理論在計算中假設(shè)浮冰濕表面面積是保持不變的，如圖3(a)所示，而真實情況下浮冰的濕表面面積在縱搖影響下會不斷變化，且當(dāng)浮冰發(fā)生越浪(overwash)[7]時，浮冰的濕表面面積會明顯增大，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浮冰運動到波峰位置時理論模型和數(shù)值模擬的對比圖4和5分別給出了采用理論模型和數(shù)值模擬計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：在數(shù)值計算中浮冰運動穩(wěn)定后，數(shù)值計算結(jié)果和理論結(jié)果的周期幾乎一致．對于升沉位移，理論結(jié)果的峰值略小于數(shù)值計算結(jié)果；對于縱搖角，理論結(jié)果精確對稱，而數(shù)值計算結(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)報浮冰這兩個自由度的響應(yīng)．圖4理論方法和數(shù)值模擬計算的垂向位移對比曲線圖5理論方法和數(shù)值模擬計算的縱搖角對比曲線4不同參數(shù)下浮冰運動響應(yīng)變化規(guī)律4.1波長影響參照文獻(xiàn)[5]的試驗，本研究保持波陡不變，改變波長．為了觀察波長變化對于海冰的影響，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應(yīng)著薄的層冰分離出來的浮冰片和受擠壓的厚冰(如破冰船擠壓后的冰)分離出來的冰塊，這在北極實際航行中是最常見的兩種浮冰形式．設(shè)相對波長為

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：在數(shù)值計算中浮冰運動穩(wěn)定后，數(shù)值計算結(jié)果和理論結(jié)果的周期幾乎一致．對于升沉位移，理論結(jié)果的峰值略小于數(shù)值計算結(jié)果；對于縱搖角，理論結(jié)果精確對稱，而數(shù)值計算結(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)報浮冰這兩個自由度的響應(yīng)．圖4理論方法和數(shù)值模擬計算的垂向位移對比曲線圖5理論方法和數(shù)值模擬計算的縱搖角對比曲線4不同參數(shù)下浮冰運動響應(yīng)變化規(guī)律4.1波長影響參照文獻(xiàn)[5]的試驗，本研究保持波陡不變，改變波長．為了觀察波長變化對于海冰的影響，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應(yīng)著薄的層冰分離出來的浮冰片和受擠壓的厚冰(如破冰船擠壓后的冰)分離出來的冰塊，這在北極實際航行中是最常見的兩種浮冰形式．設(shè)相對波長為/cλλL．對于縱蕩和垂蕩運動，運動響應(yīng)幅值算子(RAO)定義為縱蕩和垂蕩運動的幅值與波高之比；對于縱搖運動，運動響應(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．首先觀察不同相對波長下正方形薄冰的運動響應(yīng)幅值算子，這里為和試驗保持一致，保持=0.044不變，改變波長從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、垂蕩和縱搖運動運動響應(yīng)幅值算子曲線，其中對于縱蕩和垂蕩，試驗值

【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(自然科學(xué)版). 2019(07)
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本文編號：3147003