【摘要】：內(nèi)孤立波是一種常發(fā)生于海水密度躍層處的非線性海洋內(nèi)波。內(nèi)孤立波通常具有巨大的波長(zhǎng)和振幅,其攜帶的能量對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物構(gòu)成了極大的威脅。隨著海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略和南海油氣開(kāi)發(fā)的推進(jìn),研究?jī)?nèi)孤立波的特性及其對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用具有重大的工程意義。內(nèi)孤立波研究主要有理論研究、實(shí)驗(yàn)室研究、數(shù)值模擬等手段,本文研究了運(yùn)用CFD方法數(shù)值模擬內(nèi)孤立波的生成和傳播,模擬了內(nèi)孤立波對(duì)豎向圓柱體的水平作用力,并結(jié)合試驗(yàn)對(duì)數(shù)值模擬進(jìn)行了驗(yàn)證。第二章介紹了內(nèi)孤立波的KdV和mKdV理論。采用RNGk-ε模型封閉雷諾時(shí)均方程,結(jié)合不可壓縮黏性流體的連續(xù)性方程,采用速度入口法制造內(nèi)孤立波,采用VOF方法追蹤兩層流體內(nèi)分界面,采用源項(xiàng)消波并結(jié)合數(shù)值耗散進(jìn)行消波,建立了三維兩層流內(nèi)孤立波數(shù)值水槽,實(shí)現(xiàn)了內(nèi)孤立波的數(shù)值模擬。創(chuàng)新之處在于通過(guò)Fluent自帶的二次開(kāi)發(fā)功能將基于KdV和mKdV理論推導(dǎo)得到的波面方程和上下層流速編入U(xiǎn)DF作為速度入口控制函數(shù),改進(jìn)了以往速度入口法的入口速度處理方式,實(shí)現(xiàn)了對(duì)所造內(nèi)孤立波大小的準(zhǔn)確控制。第三章介紹了在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行的內(nèi)孤立波造波試驗(yàn),包括試驗(yàn)方法、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)工況及試驗(yàn)結(jié)果。將同工況下數(shù)值模擬得到的波高、波長(zhǎng)、波形、內(nèi)波流場(chǎng)、波致水平流速的垂向分布等情況與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,發(fā)現(xiàn)數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好,驗(yàn)證了本文建立的數(shù)值水槽造波的準(zhǔn)確性。創(chuàng)新之處在于用一比一的試驗(yàn)來(lái)對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。第四章在前文數(shù)值水槽的基礎(chǔ)上建立了內(nèi)孤立波對(duì)不同水深豎向圓柱體作用力數(shù)值模型。在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了內(nèi)孤立波對(duì)豎向圓柱體水平力作用的試驗(yàn)研究,介紹了圓柱體尺寸、固定方法、測(cè)力傳感器以及數(shù)據(jù)采集設(shè)備。在四個(gè)工況下進(jìn)行試驗(yàn)獲取了六個(gè)圓柱體受力的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。將同等工況下進(jìn)行數(shù)值模擬獲得的數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,研究豎向圓柱體受力的特性,驗(yàn)證了本文建立的內(nèi)孤立波對(duì)豎向圓柱體作用力數(shù)值模型的可行性和準(zhǔn)確性。創(chuàng)新之處在于沿不同水深布置了多個(gè)圓柱體,研究了內(nèi)孤立波對(duì)不同水深圓柱體的水平作用力。研究表明：運(yùn)用CFD數(shù)值模擬的方法研究?jī)?nèi)孤立波及其對(duì)豎向圓柱體作用獲得的結(jié)果準(zhǔn)確可靠,在進(jìn)一步的內(nèi)孤立波研究中可以更多地采用數(shù)值模擬的手段進(jìn)行。內(nèi)孤立波波致水平流速的垂向分布與內(nèi)孤立波理論所做的兩層流體流速平均假設(shè)大體接近,在密度躍層和流體表面稍有不同。內(nèi)孤立波對(duì)放置在不同水深的豎向圓柱體水平力作用差別較大。位于內(nèi)孤立波波面位置的豎向圓柱體總體受力較小,且并未受到較強(qiáng)的剪切流作用。
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)海洋大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：P731.24;P75

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本文編號(hào)：2754123