【摘要】：波流相互作用是實(shí)海域中常見的現(xiàn)象,海洋結(jié)構(gòu)物運(yùn)行時受到的主要載荷即來自于波和流。海洋結(jié)構(gòu)物,如采油平臺等,通常由各種類型的垂直和水平圓柱組成。在近年來的研究中,主要關(guān)注的是垂直圓柱在波流環(huán)境中的載荷,而對于水平圓柱的情況則關(guān)注較少。工程中通常采用Morison方程計(jì)算水平圓柱所受的波流力,該公式適用于波流與圓柱弱相互作用的情況,而當(dāng)水平圓柱位于自由面附近且波流與圓柱間存在強(qiáng)非線性相互作用時,Morison方程的假設(shè)前提不再滿足,從而該公式難以準(zhǔn)確計(jì)算圓柱的受力。本文即以這種波流與水平圓柱間的強(qiáng)非線性相互作用問題為背景開展相關(guān)的試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。全文主要研究內(nèi)容如下。首先,對規(guī)則波與水平圓柱的強(qiáng)非線性相互作用問題進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。試驗(yàn)在循環(huán)水槽中進(jìn)行,分別對規(guī)則波-圓柱相互作用、規(guī)則波-流-圓柱相互作用進(jìn)行了試驗(yàn),試驗(yàn)中測量了不同淹沒深度圓柱所受的波浪力與波流力。此外,結(jié)合Fluent軟件的數(shù)值模擬,重點(diǎn)研究了波流與水平圓柱相互作用中的強(qiáng)非線性現(xiàn)象,包括波浪的反射和阻塞、自由面的大變形、圓柱周圍的渦場,并討論了上述各非線性現(xiàn)象對波浪力的影響。最后,基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)了圓柱所受的波流力及其峰值隨圓柱淹沒深度的變化規(guī)律,并在此過程中詳細(xì)研究了波浪的反射和阻塞效應(yīng)對受力峰值的影響�；尾ㄊ欠蔷�性更強(qiáng)的極端波浪,具有極大的能量和破壞性。當(dāng)水平圓柱遭遇畸形波時,必將出現(xiàn)更強(qiáng)的非線性相互作用現(xiàn)象。在試驗(yàn)和數(shù)值模擬中常采用聚焦波來代替畸形波開展相關(guān)研究,本文也針對聚焦波與水平圓柱間的強(qiáng)非線性相互作用開展了試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。首先,采用PIV設(shè)備測量了大波陡的聚焦波與水平圓柱相互作用時的瞬時流場,并總結(jié)了聚焦波作用下圓柱周圍渦場的形成和發(fā)展規(guī)律,討論了聚焦波導(dǎo)致的渦場和規(guī)則波導(dǎo)致的渦場的變化的異同。接著研究了圓柱與聚焦點(diǎn)的相對位置、圓柱的淹沒深度、流速等變量對聚焦波作用力的影響。最后,采用小波變換的方法對聚焦波傳播過程中以及聚焦波與水平圓柱相互作用過程中的時頻能量特性進(jìn)行了研究。不論是研究波流與水平圓柱相互作用,還是研究其他類型的海洋水動力學(xué)問題,對波浪的準(zhǔn)確模擬都是其中的關(guān)鍵基礎(chǔ)。為更好地滿足海洋水動力學(xué)問題研究中對波浪準(zhǔn)確模擬的需求,本文還自主研發(fā)了高精度的大渦模擬程序。該程序在非交錯網(wǎng)格上采用有限體積法對不可壓N-S方程組進(jìn)行離散。其中,空間離散采用四階緊致格式,時間推進(jìn)采用四階龍格庫塔法,壓力速度的耦合采用動量插值法,湍流的求解采用Smagorinsky亞格子應(yīng)力模型,自由面的模擬采用分段線性界面計(jì)算的PLIC型VOF法,此外通過在入口邊界處施加速度和VOF邊界條件的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)值造波功能,采用浸沒邊界法實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)物的模擬。最后,通過方腔流、運(yùn)動界面追蹤、圓柱繞流等問題的數(shù)值模擬,驗(yàn)證了本文開發(fā)的大渦模擬模型的有效性。在此基礎(chǔ)上,對線性波、橢圓余弦波、孤立波、聚焦波,以及波浪-圓柱相互作用、波流-圓柱相互作用、船體橫剖面周圍流場、運(yùn)動圓柱周圍流場等問題進(jìn)行了大渦模擬,驗(yàn)證了本文模型在波浪及其與結(jié)構(gòu)物相互作用方面的可靠性和適用性。此外,在孤立波以及圓柱繞流問題的模擬中,將本文大渦模擬的結(jié)果與Fluent軟件模擬的結(jié)果進(jìn)行對比,證明了本文所開發(fā)的模型的優(yōu)越性。
【學(xué)位授予單位】：上海交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：P75;P731.22
【圖文】：

Fig. 1-1 The four typical phenomena in the strong nonlinear interaction between wave-current andhorizontal cylinder圖1-1中給出了波流與水平圓柱強(qiáng)非線性相互作用的試驗(yàn)照片。由圖可知，波流與圓柱之間的強(qiáng)非線性相互作用主要包括四種現(xiàn)象：1、在圓柱周圍形成強(qiáng)烈的渦場；2、波浪在圓柱的作用下出現(xiàn)顯著的反射，從而使得波面表現(xiàn)出強(qiáng)非線性；3、波浪經(jīng)過圓柱后在下游處出現(xiàn)波面的翻卷和破碎現(xiàn)象；4、波谷經(jīng)過圓柱時出現(xiàn)大量的空氣卷入現(xiàn)象。顯然地，上述四點(diǎn)現(xiàn)象都不滿足Morison方程的假設(shè)，而這些現(xiàn)象以及由此導(dǎo)致的對波浪載荷的影響是難以用線性理論分析的。因此，有必要針對此類問題開展進(jìn)一步的試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究。本文中，第二至第四章即主要圍繞波流與水平圓柱體間的強(qiáng)非線性相互作用的物理問題開展試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究，以期加深對該問題的認(rèn)識。1.2.2波流與水平圓柱體相互作用的流場特性研究前述Morison方程著眼于結(jié)構(gòu)物的載荷

第二章波流與水平圓柱體相互作用的試驗(yàn)原理及方法第 21 頁圖2-1 循環(huán)水槽裝置圖Fig. 2-1 Circulating Water Channel圖 2-2 循環(huán)水槽工作段照片F(xiàn)ig 2-2 Working section of the Circulating Water Channel圖 2-3 循環(huán)水槽工作原理示意圖Fig. 2-3 Schematic of the Circulating Water Channel造波機(jī)控制設(shè)備 工作段表面流動加速裝置整流裝置 造波機(jī)工作段:長8.0m、寬3.0m回流段渦輪循環(huán)水流循環(huán)水流蜂窩式消波器24.6m8.5m

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本文編號：2715087