海洋是人類獲取生存和發(fā)展資源的重要場(chǎng)所。近些年來,隨著海洋能源開發(fā)技術(shù)的發(fā)展和交通運(yùn)輸?shù)男枨?在世界各地和我國(guó)相繼建設(shè)了大量的近海橋梁和海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)等重大基礎(chǔ)設(shè)施。但是,海洋環(huán)境復(fù)雜多變,其風(fēng)、浪、流等環(huán)境作用對(duì)近海工程結(jié)構(gòu)將造成嚴(yán)重威脅。系統(tǒng)研究海洋風(fēng)、浪、流的流場(chǎng)特性,掌握近海工程結(jié)構(gòu)在海洋多災(zāi)害環(huán)境作用下的動(dòng)力響應(yīng)特性,對(duì)于提升近海工程結(jié)構(gòu)的防災(zāi)減災(zāi)能力具有重要的意義。本文針對(duì)海洋風(fēng)、浪、流的流場(chǎng)特性開展數(shù)值模擬和分析,并以跨海橋梁橋塔為對(duì)象,對(duì)其在風(fēng)-浪聯(lián)合作用下的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容包括:(1)基于內(nèi)部質(zhì)量源造波方法,結(jié)合ALE(任意拉格朗日-歐拉方法)界面追蹤技術(shù),提出線狀質(zhì)量源造波方法,并開展了推板和搖板造波的數(shù)值模擬;同時(shí)基于VOF(體積分?jǐn)?shù)法)界面捕捉技術(shù)建立了波浪數(shù)值水槽;對(duì)兩種數(shù)值波浪水槽模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析后發(fā)現(xiàn),基于內(nèi)部質(zhì)量源方法和ALE技術(shù)發(fā)展的造波方法,能有效模擬波浪自由面及其以下流場(chǎng),而基于VOF方法得到的波浪在測(cè)試段內(nèi)波高有微弱衰減(4%左右),但波周期和波形較為理想。(2)基于Campagne等提出的洋流自由面以下的湍流分層結(jié)構(gòu)概念,對(duì)洋流開敞槽道流動(dòng)進(jìn)行了DNS數(shù)值模擬,并采用速度-渦量相關(guān)性(VVCS)方法對(duì)湍流相關(guān)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,揭示了自由面以下流動(dòng)分層結(jié)構(gòu)的形成及其對(duì)渦結(jié)構(gòu)分布的影響機(jī)制。(3)開展了風(fēng)生浪和風(fēng)-規(guī)則波相互作用的試驗(yàn)研究,分析了試驗(yàn)室條件下風(fēng)-浪聯(lián)合場(chǎng)的風(fēng)剖面和波浪要素變化特征及二者相互影響規(guī)律;基于VOF方法建立了風(fēng)-浪聯(lián)合場(chǎng)數(shù)值模型,通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比分析,驗(yàn)證了數(shù)值方法的適用性。(4)針對(duì)彈性圓柱結(jié)構(gòu),試驗(yàn)研究了不同沒水深度條件下模型結(jié)構(gòu)在單風(fēng)、單浪和風(fēng)-浪聯(lián)合作用下的動(dòng)力響應(yīng);基于所提出的風(fēng)-浪聯(lián)合場(chǎng)數(shù)值模擬方法及彈性體動(dòng)力求解方法,采用Open FOAM開源程序建立了風(fēng)-浪聯(lián)合作用下彈性圓柱結(jié)構(gòu)的流固耦合(FSI)動(dòng)力求解方法,并通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果的對(duì)比分析,揭示了圓柱結(jié)構(gòu)附近流場(chǎng)分布特性與風(fēng)-浪聯(lián)合作用對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的影響。(5)開展了橋塔結(jié)構(gòu)在風(fēng)-浪聯(lián)合作用下的模型試驗(yàn),試驗(yàn)研究了橋塔在單風(fēng)、單浪與風(fēng)-浪聯(lián)合作用下的振動(dòng)特性和動(dòng)力響應(yīng)變化規(guī)律。在橋梁抖振頻域分析方法的基礎(chǔ)上進(jìn)一步引入波浪荷載,開展了風(fēng)-浪聯(lián)合作用下橋塔結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析和驗(yàn)證。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：U441
【文章目錄】：
摘要
Abstract
第1章 緒論
    1.1 課題研究目的及意義
    1.2 波浪自由表面描述方法及波浪水槽數(shù)值模擬
        1.2.1 波浪自由表面描述方法
        1.2.2 波浪水槽數(shù)值模擬
    1.3 洋流自由表面以下流動(dòng)結(jié)構(gòu)研究現(xiàn)狀
        1.3.1 基于滑移平板邊界的自由面模擬
        1.3.2 有限波高表面自由面模擬
    1.4 風(fēng)-浪聯(lián)合場(chǎng)研究現(xiàn)狀
        1.4.1 風(fēng)-浪聯(lián)合場(chǎng)理論和試驗(yàn)研究
        1.4.2 風(fēng)-浪聯(lián)合場(chǎng)數(shù)值研究
    1.5 風(fēng)-浪聯(lián)合作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)研究現(xiàn)狀
        1.5.1 風(fēng)-浪聯(lián)合作用下結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)研究
        1.5.2 流固耦合（FSI）分析方法
    1.6 本文的主要研究?jī)?nèi)容
第2章 基于VOF方法和ALE方法的波浪水槽數(shù)值模擬
    2.1 引言
    2.2 基于VOF方法的波浪水槽數(shù)值模擬
        2.2.1 VOF界面捕捉方法
        2.2.2 波浪水槽數(shù)值設(shè)置
        2.2.3 數(shù)值模擬結(jié)果
    2.3 基于ALE界面追蹤及內(nèi)部質(zhì)量源方法的波浪水槽數(shù)值模擬
        2.3.1 ALE界面追蹤方法
        2.3.2 內(nèi)部質(zhì)量源造波方法
        2.3.3 數(shù)值計(jì)算設(shè)置
        2.3.4 數(shù)值模擬結(jié)果
    2.4 基于VOF方法和ALE方法數(shù)值波浪水槽的比較
    2.5 本章小結(jié)
第3章 洋流自由表面下流動(dòng)分層結(jié)構(gòu)分析
    3.1 引言
    3.2 理論方法與分析手段
        3.2.1 湍動(dòng)能及雷諾應(yīng)力
        3.2.2 脈動(dòng)渦擬能
        3.2.3 脈動(dòng)速度-渦量相關(guān)結(jié)構(gòu)（VVCS）
    3.3 基于DNS的洋流開敞槽道流動(dòng)數(shù)值模擬
    3.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析
        3.4.1 流場(chǎng)統(tǒng)計(jì)特性
        3.4.2 自由表面以下分層湍流結(jié)構(gòu)
        3.4.3 湍動(dòng)能及渦擬能分析
        3.4.4 分層流動(dòng)結(jié)構(gòu)的相關(guān)函數(shù)及能譜
        3.4.5 分層流動(dòng)結(jié)構(gòu)的速度-渦量相關(guān)性分析
    3.5 本章小結(jié)
第4章 風(fēng)-浪聯(lián)合場(chǎng)試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬
    4.1 引言
    4.2 風(fēng)-浪聯(lián)合場(chǎng)試驗(yàn)研究
        4.2.1 試驗(yàn)設(shè)置
        4.2.2 單風(fēng)作用下的流場(chǎng)分析
        4.2.3 風(fēng)-浪聯(lián)合作用下的流場(chǎng)分析
    4.3 風(fēng)-浪聯(lián)合場(chǎng)數(shù)值模擬
        4.3.1 風(fēng)-浪聯(lián)合場(chǎng)數(shù)值建模方法
        4.3.2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析
    4.4 本章小結(jié)
第5章 風(fēng)-浪聯(lián)合作用下彈性圓柱體動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬
    5.1 引言
    5.2 風(fēng)-浪聯(lián)合作用下彈性圓柱體動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)研究
        5.2.1 模型設(shè)計(jì)
        5.2.2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)
        5.2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析
    5.3 風(fēng)-浪聯(lián)合作用下彈性圓柱體動(dòng)力響應(yīng)分析數(shù)值模擬
        5.3.1 數(shù)值建模方法
        5.3.2 數(shù)值檢驗(yàn)
        5.3.3 數(shù)值模擬結(jié)果分析
    5.4 本章小結(jié)
第6章 風(fēng)-浪聯(lián)合作用下橋塔動(dòng)力響應(yīng)試驗(yàn)研究
    6.1 引言
    6.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)
        6.2.1 橋塔試驗(yàn)?zāi)Ｐ?br>        6.2.2 試驗(yàn)工況設(shè)計(jì)
    6.3 試驗(yàn)結(jié)果分析
        6.3.1 單風(fēng)作用下橋塔結(jié)構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果
        6.3.2 風(fēng)-規(guī)則波作用下橋塔試驗(yàn)結(jié)果
        6.3.3 風(fēng)-不規(guī)則波作用下橋塔試驗(yàn)結(jié)果
        6.3.4 風(fēng)-浪聯(lián)合作用對(duì)橋塔動(dòng)力響應(yīng)的影響
    6.4 風(fēng)-浪聯(lián)合作用下橋塔動(dòng)力響應(yīng)頻域分析
        6.4.1 頻域分析方法建模
        6.4.2 頻域方法結(jié)果分析
    6.5 本章小結(jié)
結(jié)論
參考文獻(xiàn)
攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的論文及其他成果
致謝
個(gè)人簡(jiǎn)歷

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2860926