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摘要:在特定的周期条件下,波浪与深海多柱平台的相互作用会引起柱群附近波面显著抬升且波面近似驻波分布的准陷波现象,该现象的发生将增大平台破坏的风险,对此时的结构内力开展计算研究进而考察各部位构件受力以及评估整体强度是十分必要的.该文在势流理论框架下应用边界元方法,建立了计算结构内力的数值模型,应用目前的模型对特征内力随入射波浪频率的变化规律以及准陷波现象对特征内力的影响开展数值研究.结果表明,准陷波现象对浮筒间纵向剪力的影响十分显著,而较大的剪力会影响结构的整体强度甚至引起构件破坏....
[博士论文] 毛鸿飞
港口、海岸及近海工程 大连理工大学 2018(学位年度)
摘要:随着对海洋资源的开发逐渐向深海海域发展,深海中工程结构物的水动力特性已成为海洋工程领域的热门问题。水平圆柱结构广泛应用于海洋工程中,准确的预测水平圆柱结构上的波浪力是安全性研究的重要课题。在大幅波浪作用下或强迫振荡下,水平圆柱结构上的流体作用力会受到粘性效应的影响。在对波浪力进行预测时,还需要考虑波浪的冲击作用。此外,此类问题还涉及到复杂的自由面问题。采用传统的势流理论对上述这些问题进行研究的准确性难以得到保障。因此,基于粘性流理论对水平圆柱结构上波浪力问题进行研究具有重要意义。基于上述背景,本文应用粘性流数值波浪水槽模型对淹没水平圆柱上波浪力、非完全淹没水平圆柱上波浪力和淹没水平圆柱强迫振荡下受力问题开展了数值计算研究,揭示了粘性效应的机理,提出了波浪力以及冲击力的预测方法。
  首先,本文基于OpenFOAM开源平台,建立了粘性流数值波浪水槽。数值模型以Navier-Stokes方程作为基本控制方程对流体运动进行描述,采用Finite Volume Method(FVM)方法进行数值离散,Renormalization-group(RNG)模型进行湍流封闭,Volume of Fluid(VOF)方法进行自由面捕捉,为了进行长时间的计算,水槽结合了有效的消波方法。对数值方法的局限性问题,在自由面区域内加入数值修正区,提高了模型的计算能力。
  其次,对数值模型进行了数值验证,将数值结果与前人发表的理论结果、实验数据以及数值计算结果进行对比,对粘性数值模型在对大波幅非线性波浪传播和结构物上流体作用力计算的准确性进行全面验证。
  再次,应用粘性流数值波浪水槽模型对淹没水平圆柱上的波浪力开展了数值研究。通过与前人实验结果的对比,验证了数值模型对粘性效应下结构物上波浪力计算的准确性。通过粘性流流场和势流流场结果的对比,定量地解释了基于势流理论求得波浪力偏大的原因。此外,涡旋脱落对波浪力的影响也得到了关注。考虑到前人研究的局限性,本文对不同波浪频率下和不同模型尺度下水平圆柱上的波浪力开展了研究。这些研究对实际工程问题的计算和分析具有重要的指导意义。
  应用数值波浪水槽模型对非完全淹没水平圆柱上的波浪力开展了数值研究。本文对入射波幅值、频率和圆柱的垂向位置对波浪力的影响开展了研究。当流体速度达到一定程度时,波浪冲击力不可忽视,本文对圆柱受到的波浪冲击力进行了研究。本文提出了改进的Morison方程,该方程不仅考虑了惯性力、速度力和浮力,而且考虑了冲击力。进而,对水动力系数,即惯性力、速度力和冲击力系数进行了拟合和分析。此后,将基于Morison方程计算得到的波浪力与数值波浪力进行了对比,为工程设计提供参考。
  最后,应用数值波浪水槽模型对淹没水平圆柱强迫振荡下受力进行了数值模拟研究,通过将粘性流结果与势流结果的对比,说明粘性效应对流体作用力的作用。通过对圆柱周围流场的分析,揭示了粘性效应的机理。采用受力分析方法说明了圆柱附近涡旋对圆柱所受压力的影响,进而解释了基于粘性流理论与势流理论得到流体作用力之间差别的本质原因。
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