二维浸没柱体与非线性波浪的相互作用研究

论文摘要

自由面效应和结构物在自由面附近的运动是水动力学研究的重点与难点,也是船舶与海洋工程领域需要着重考虑的问题。海洋工程中的很多操作都需要考虑自由面效应和波浪的影响,例如海洋平台和船舶在风浪中的运动,水下航行器、机器人的布放和回收以及潜艇在近水面的定深航行、紧急上浮或者发射导弹等。因此,研究海洋结构物在自由面附近的运动,分析风浪等因素对结构物运动的影响是很有必要的。本文研究二维简单结构物在自由面附近的运动和兴波问题,包括浅水域中浸没椭圆柱的匀速运动以及浸没柱体与非线性波浪的耦合运动,分析浸没柱体匀速运动的兴波和波物耦合作用时波浪对于柱体运动姿态的影响。忽略流体的粘性与可压缩性,引进速度势来描述流场,在自由面和物体表面施加非线性边界条件,采用边界元方法(BEM)求解边界值问题,采用时间步进方法更新自由面,利用辅助函数法计算波浪载荷。同时为了数值计算的稳定性,采用阻尼消波消除远方的波浪,避免波浪反射。本文首先模拟了二维浸没椭圆柱体在浅水中以恒定水平速度运动产生连续孤立波的问题,通过自身的收敛性分析验证了本文数值程序的可靠性,详细描述了孤立波产生与发展的全过程,分析了孤立波中流体质点的运动规律,探讨了椭圆柱的形状和运动速度对孤立波波形的影响。利用已生成的孤立波模拟了相同以及不同孤立波之间的对向碰撞问题,描述了碰撞过程中波形的变化和流场的特点。研究表明,孤立波的传播与碰撞的实质是波浪能量的传播过程以及动能与势能之间的平衡和相互转化过程。结构物在自由面附近运动时会受到自由面上风、浪、流等因素的影响,在浅水域中还会受底部壁面的影响。基于边界元方法建立二维浸没圆柱与波浪耦合运动的数值模型,模拟了圆柱在波浪影响下的运动过程,分别分析了深水波浪和浅水波浪对圆柱运动的影响,接着分析了波长、波幅、圆柱初始运动状态以及水深等因素对圆柱运动的影响。最后利用之前的研究成果,模拟了二维浸没圆柱与连续孤立波的耦合运动,分析了孤立波与Stokes波对圆柱运动状态的不同影响。

论文目录

摘要

ABSTRACT

第1章绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.2.1 势流理论

1.2.2 CFD方法

1.2.3 实验方法

1.3 本文的主要研究内容

第2章基本理论与数值方法

2.1 势流理论与边界条件

2.2 边界元方法

2.3 自由面更新

2.4 受力求解与结构物位置的更新

2.5 数值消波

2.6 网格光顺处理

2.7 本章小结

第3章二维沉浸椭圆柱定常移动兴波分析

3.1 研究背景

3.2 数学模型

3.3 程序验证

3.3.1 程序的可靠性验证

3.3.2 数值模拟的收敛性验证

3.4 连续孤立波的生成过程

3.5 椭圆柱厚度与速度对连续孤立波的影响

3.6 连续孤立波的对向碰撞模拟

3.7 本章小结

第4章二维沉浸圆柱与深水波浪耦合作用分析

4.1 问题描述与模型建立

4.2 程序验证

4.2.1 数值造波程序的可靠性验证

4.2.2 耦合运动数值模拟的收敛性分析

4.3 深水五阶Stokes波与沉浸圆柱的相互作用

4.4 波浪参数与初始条件对圆柱体运动的影响

4.4.1 波浪参数对圆柱体运动的影响

4.4.2 初始条件对圆柱运动的影响

4.5 本章小结

第5章二维沉浸圆柱与浅水波浪耦合作用分析

5.1 问题描述与模型建立

5.2 数值模拟的收敛性分析

5.3 浅水Stokes波与沉浸圆柱的相互作用

5.4 波浪参数与水深对圆柱运动的影响

5.4.1 波浪参数与圆柱运动的影响

5.4.2 水深对圆柱运动的影响

5.5 孤立波与沉浸圆柱的相互作用

5.6 本章小结

结论

总结

本文的创新之处

展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 麻彩朋

导师: 许国冬

关键词: 二维结构物,势流理论,边界元,自由面,耦合运动

来源: 哈尔滨工程大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,地球物理学,水利水电工程

单位: 哈尔滨工程大学

分类号: P75;TV139.2

DOI: 10.27060/d.cnki.ghbcu.2019.000144

总页数: 80

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