高山[1]2003年在《二维数值波浪水槽模式的建立和应用及浪流相互作用研究》文中研究表明根据本人在攻读博士学位期间所作的两项海浪研究工作，将学位论文分为二维数值波浪水槽模式的建立和应用，以及浪流相互作用研究两部分。 第一部分在回顾数值波浪水槽发展历程、现状及其应用前景的基础上，重点报告本人独立开发二维非线性数值波浪水槽模式的研究工作，其中包括构建数值波浪水槽的运行原理和具体步骤等全过程。 详细阐述了数值波浪水槽研究的数学物理基础以及建立数值波浪水槽的两大核心技术—二次边界元方法和混合欧拉—拉格朗日方法，给出了数值波浪水槽运行的实时模拟流程图。同时还系统说明了该模式应用的造波技术、消波技术以及特殊数值处理的方法和步骤。其中对阻尼消波技术作了改进，设计了一种纺锤形的阻尼消波器使其具有双向消波功能和低通滤波功能。将其与一种以水位为控制信号的活塞式消波机相结合，获得了更为满意的消波效果。 为检验该波浪水槽模式的性能，对其进行了严格、详细的测试。其中包括驻波的模拟实验，卷波的破碎模拟实验和一组ISOPE的官方测试(Official Benchmark)模拟实验。测试结果表明，该模式具有较完善的造波和消波能力，极好的非线性模拟能力，极佳的计算精度和稳定性，能够较好的满足数值实验的实际需要。 为检验该数值波浪水槽的实用性，对其进行了若干应用试验，以便显示该水槽在波动实验中的应用潜力，并期望能在海洋混合过程及其机理研究中获得应用。其中一项实验是将两层水槽相互耦合，给出模拟界面波的具体方案，实现界面波的模拟尝试。实验证明，在线性框架下该模式是稳定的，但在非线性模拟中却出现了由边界角点引起的弱不稳定现象，必须对模式作进一步修改，为此同时提出了以消波器消除该角点影响的限制性解决方法。另一项实验是借用地形的往复运动产生的波动，模拟往复流中由地形激发的波动现象，找到了往复流地形波与往复频率和地形高度之间的初步关系，发现了由地形引起的高频不稳定和破碎现象并给出了初步的解释。 第二部分根据本人协助导师所作的相关工作，对当前国内外的浪流相互作用研究进展做了系统的回顾，针对海浪对海流的大尺度驱动作用进行了有意义的探索。 在流对浪的作用讨论中，依据波动的射线理论和由变分原理导出的波作用量守恒定律，阐明了稳定波场波数矢量的无旋条件与费马原理的等价性，扼要讨论了背景流场影响海浪的运动学效应和动力学效应，首次指出水位(包括天文潮位与风暴潮位)变化对海浪成长与消衰的影响，为流浪潮联合数值模式的发展提供必要的理论依据。在浪对流作用的讨论中，系统的阐述了海浪在地转作用和粘性条件下所产生的各种作用力，详述了它们的生成机制，并定性的分析了相应的波生流，同时，首次提供了地转条件下浪致雷诺应力张量的完整表达式，为实现海流模式与海浪模式的并行数值计算提供了一种简便的途径。二维数值波浪水槽模式的建立和应用 在前人有关海浪波生作用力研究工作的基础上，依据f平面近似下线化无粘流体运动方程的一般形式，并考虑地转角速度水平分量的作用，首次给出真正地转意义下均匀水底上的小振幅波动解。由此解导出的波生切应力包括波向与横向两个分量。依地转波生应力和虚拟波生应力计算了海面上波生总应力与风应力的比值，大致估计了该应力在我国海域环流研究中的重要性。 最后，在上述研究的基础上对海浪的横向彻体切应力进行了定量的具体分析。使用风浪经验公式和风浪传入近岸的小振幅波动理论，计算并分析了地转条件下波生横向彻体切应力随风速、风区、水深等因素的变化规律;将其与定常Ekman漂流中的风生湍粘性力的比较表明，在中、高纬度的通常海况下两者具有相同量级，从而强调在风生漂流研究中必须考虑由地转引起的波生横向彻体切应力。
谷家扬[2]2013年在《张力腿平台复杂动力响应及涡激特性研究》文中指出随着陆上油气资源的日益枯竭，世界上发达国家都将目光投向了海洋，海洋蕴藏着丰富的石油、天然气和矿产资源，海上油气资源开发不断从浅水、深水向超深水迈进。我国在深水及超深水领域海洋平台的研究与世界先进国家存在着巨大差距，我国政府意识到了深海油气开发的重要性和紧迫性，随着“海洋石油981”在中国南海的开钻成功，国内也掀起了深海海洋技术研究的高潮，这对于我国打破国外海工深水技术垄断，促进我国海洋科技的进步具有重要的战略意义。随着科技的不断进步，人类在开发深海油气资源中提出了各种新型海洋平台，例如，浮式生产储油系统、浮式生产钻井储油装置、张力腿平台、半潜式平台以及立柱式平台。而张力腿平台经过半个多世纪的发展，在经典张力腿平台的基础上目前已经形成叁大系列，即SeaStars系列、MOSES系列和ETLP系列。张力腿平台作为一种半刚性半顺应式平台，自身结构特点决定了其运动性能，张力腿平台巨大预张力使平台平面外的运动（横摇、纵摇和垂荡）较小，相当于刚性；另一方面，波浪力作用于平台直立浮箱形主体结构，其水平方向分力要大于垂直方向分力，平面内为柔性运动。深海石油平台在复杂海洋环境中的动力响应及系泊系统的动力特性一直是海洋工程界关注的热点和难点，涡激运动作为海洋工程界的前沿课题，国内相关研究刚刚展开，主要关注对象是大直径的Spar平台，而张力腿平台作为多立柱海洋平台，其复杂动力响应及涡激运动特性对于平台自身的安全性以及张力腿、立管系统的疲劳强度都有着重要影响。本论文通过理论研究、数值模拟以及试验验证叁者相结合的手段，逐步揭示外部海洋环境、平台运动响应、系泊系统动力特性、平台自身特性对涡激运动的内在影响关系，旨在探索张力腿平台复杂动力响应及涡激运动的形成、发展、演变、稳定的规律。论文从张力腿平台受力平衡原理出发，推导了张力腿平台的刚度矩阵、质量矩阵以及阻尼矩阵，刚度矩阵中计及张力腿和立管的影响，运用坐标系之间的转换求得水质点速度以及加速度在波浪坐标系的表达式，采用微元法对立柱和浮箱进行离散，利用修正的莫尼森公式计算作用在平台上的波浪力，最终得到固定坐标系中波浪荷载的表达式，在上述矩阵的基础上组成张力腿平台六自由度非线性动力学响应的微分方程。为了在时域内得到张力腿平台的动力响应及系泊特性，自编程序求解耦合方程，对规则波中张力腿平台的动力特性进行了研究。比较分析了四种工况下张力腿平台的耦合动力响应、张力腿及立管张力变化，揭示了波浪周期、波高、浪向角、预张力、工作水深等诸多因素对张力腿平台运动特性影响。鉴于海洋环境的随机性和复杂性，规则波中张力腿平台的动力响应和系泊特性带有很大的简化，只是对相关程序的验证和研究的初步开始。在规则波的研究基础上将外部海洋环境拓展到随机波、风浪流联合作用以及畸形波中。采用Jonswap谱结合迭加法生成随机波，研究不同波高、谱峰周期、浪向角下的动力响应，同时在上海交通大学海洋工程国家重点实验室中通过缩尺比为1：40的模型进行了试验验证，对比了数值模拟和模型试验的平均值、幅值及标准差等相关统计值，并对甲板中心处以及边缘处的加速度进行了预报。采用NPD风谱和阶梯流模型，研究了只考虑浪、考虑浪和流、同时考虑风浪流联合作用叁种情况下，不同海况及浪（流）向平台的动力特性以及系泊系统张力的统计值和能量谱。最后对强非线性波浪—畸形波中张力腿平台的运动响应及系泊特性进行了研究，并与随机波的计算结果进行了对比。涡激运动是当前海洋工程界研究的热点和难点，也是大尺度深海结构物亟待解决的重要流体力学问题，其背后涉及复杂的流固耦合问题，因此开展大尺度低质量比多柱体的涡激运动预报对于研究张力腿平台在一定来流速度下涡的泄放模式、受力情况等重要涡激特性有着十分重要的意义。论文采用计算流体力学方法对无限长方柱和圆柱截面在限制流向和不限制流向下的涡激运动进行了数值模拟并将计算结果与经典实验结果进行了对比，研究重点放在两种典型立柱截面的涡激运动幅值随无因次速度的变化规律、立柱流向平衡位置走势、涡激运动中频率锁定现象以及尾涡泄放模式等。研究了无限长多方柱的绕流特性，得到相关水动力系数、涡强分布以及尾涡泄放结构。对低质量比多方柱在0°、22.5°、45°流向及不同流速下的涡激运动进行了模拟，采用最大值统计法及标称统计法对涡激运动振幅幅值进行统计，探讨了影响涡激运动的相关参数在对无限长单立柱及多方柱的绕流特性及涡激运动研究的基础上，考虑浮箱和立柱之间的耦合效应建立了叁维计算网格，对张力腿平台的叁维绕流特性和涡激运动开展了研究。首先对无限长单根方形立柱的绕流进行了验证，与二维方柱的平均阻力系数以及斯特哈尔数等参数进行了对比，然后考虑不同来流方向下，上、下游立柱之间的相关干扰，计算并分析了上、下流立柱的升力系数、拖曳力系数、涡量场分布以及尾涡结构。根据在上海交通大学海洋工程国家重点实验室中的实验结果，得到平台运动的固有周期以及无因次阻尼系数，用于求解运动微分方程的UDF程序中，对张力腿平台的涡激运动进行了深入分析和探讨。细长立管的涡激振动研究对于张力腿的涡激振动有着一定借鉴和指导作用，但张力腿与立管在截面尺度、预张力大小以及边界条件存在巨大差距。考虑平台运动对张力腿上端边界条件的影响，采用可移动支座的边界条件结合经典非线性动力学理论自编程序对张力腿的涡激振动进行了研究。研究中采用振型迭加法求得张力腿各阶振动的固有频率，同时计及不同外部荷载的影响，研究了均匀流、阶梯流以及波流联合作用下张力腿各阶模态下的权重时历曲线、动剪力和动弯矩在张力腿长度方向的变化规律，分析了模态跳转现象。采用二维切片理论结合CFD数值模拟方法，将张力腿涡激振动的叁维问题简化成二维，将编制的求解涡激振动的UDF程序嵌入Fluent软件中，采用动网格技术进行流场的更新和计算，运用DNV商业软件计算了不同流速和波高下张力腿张力的时历曲线，研究了定常张力和时变张力下张力腿的涡激振动，并将经典理论和切片法计算结果进行了对比，对影响涡激振动的相关问题进行了讨论和分析。综上所述，论文研究从浪向、波高、谱峰周期、水深、预张力等影响张力腿平台动力响应的不同因素着手，外部荷载从规则波、随机波、风浪流联合作用最后到畸形波，逐步深入，层层递进，汇集了理论推导、数值模拟以及实验研究等叁种研究方法，对张力腿平台水动力性能及系泊系统的张力特性进行了研究。在张力腿平台涡激运动研究中，从涡激运动的发生机理出发，从单个立柱的涡激运动着手，逐步拓展到无限长多柱体，最后结合相关实验数据，在国内首次开展张力腿平台的绕流特性和涡激运动研究，充分考虑流速、流向、限制及不限制流向等因素的影响，深入研究了水动力系数、频率锁定以及尾涡泄放模式等涡激特性。在平台动力响应及涡激运动的基础上，采用非线性动力学方法结合切片理论，自编程序对时变张力影响下张力腿的涡激特性开展了研究，荷载综合考虑到均匀流、阶梯流以及波流的联合作用。总之，论文在国家自然科学基金的支持下，在国内首次全面开展张力腿平台的复杂动力响应及涡激特性研究，得到了一系列具有创新性意义的结论，为我国系统掌握张力腿平台的运动特性等关键技术并在南海油气开发中设计、建造张力腿平台提供了理论依据和技术支持。
赵秋红, 李晨曦, 董硕[3]2019年在《深水桥墩地震响应研究现状与展望》文中提出分析了地震激励下水-深水桥墩动力相互作用,总结了动水压力作用机理、地震动水压力的计算方法和水-结构动力相互作用分析方法,研究了深水桥墩地震响应特征和影响因素以及水下振动台试验进展,并对比了各国规范中动水压力计算方法。研究结果表明:动水压力降低桥墩自振频率,增大桥墩地震响应,其影响在桥梁的抗震设计中不可忽略;现有研究采用的桥墩形式较为简化和单一,建议开展更多以桥墩体系、桥梁体系为对象的深水桥梁地震响应研究;对于地震作用下动水压力计算,目前各国规范多基于Morison方程,但对其适用范围尚不明确,应深入研究Morison方程的适用范围、修正方法与准确便捷的地震动水压力计算方法;目前水下振动台试验大多集中在动水压力对桥梁下部墩桩地震响应的影响上,响应大多在弹性范围内,应进一步研究在大震作用下深水桥墩的非线性响应与破坏模式;目前针对深水桥墩在地震和波浪联合作用下的动力响应研究较少,应深入研究在地震、波浪、海流联合作用下深水桥墩与水的相互作用机理;目前缺乏对全桥结构的地震响应研究,应开展深水桥梁全桥分析与多子台水下振动台试验。
参考文献：
[1]. 二维数值波浪水槽模式的建立和应用及浪流相互作用研究[D]. 高山. 中国海洋大学. 2003
[2]. 张力腿平台复杂动力响应及涡激特性研究[D]. 谷家扬. 上海交通大学. 2013
[3]. 深水桥墩地震响应研究现状与展望[J]. 赵秋红, 李晨曦, 董硕. 交通运输工程学报. 2019