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多浮体结构在波浪中运动的全非线性数值模拟研究

2020-12-08阅读(422)

多浮体结构在波浪中运动的全非线性数值模拟研究

论文摘要

海洋平台作为人们开发深海资源的装备,容易受到恶劣海洋环境的影响,导致其工作期间自身剧烈的运动,这对海洋平台的工作环境造成不利的影响。所以海洋平台设计初期对其遭受的波浪力以及运动进行准确地预报就非常有必要了。目前各种海况下海洋平台受到的波浪力以及自身运动的研究已有成熟的发展,然而多数商业水动力软件模拟海洋平台与波浪作用时只考虑了线性理论或者部分非线性理论,在恶劣海况下已经无法满足工程上的精度要求,因此开发海洋平台的多浮体结构与波浪作用的全非线性计算程序就显得非常重要。本文在势流理论的整体框架下,基于线性边界元法在时域理论下开发了开敞水域下全非线性数值程序。利用Rankine源格林函数对计算流体域网格进行离散,网格拆分的方式解决边界积分方程的奇异性问题;通过引入虚拟变量间接地求解流体压力,并对运动方程进行耦合求解;在波浪非线性较强时以泰勒摄动展开的方法对浮体表面形成的的射流进行了处理;采用高效的EMT技术选取合适的弹性本构关系对自由面网格进行实时优化,并对其有效性进行了数值验证,保证了非线性现象模拟时网格的质量,并通过五点光滑法对自由面网格进行了光顺,并按一定波浪周期对自由面网格进行重构;通过考虑了非线性的自由面条件,采用混合欧拉-拉格朗日方法对自由面实时位置进行捕捉;本文考虑的全非线性主要是自由面和物面的非线性,因此在每一时刻对浮体瞬时湿表面网格进行了动态地更新;在开敞流体域边界设置了海绵阻尼层以吸收开敞水域边界上的反射波浪。本文基于Fortran语言完成开敞水域全非线性数值程序的开发后,通过不同缩尺比模型的验证、固定浮体模型验证以及网格收敛性分析为后续利用全非线性程序进行的研究打下了基础。本文利用开发的全非线性程序下对不同波浪参数下单浮体所受波浪力与运动响应的变化特性进行了研究,然后将不同波浪条件下单浮体运动响应与频域结果进行了对比验证,并且通过MATLAB软件对流场的变化与浮体的运动进行了可视化处理。在单浮体网格模型基础下构建了适用于半潜式平台多浮体结构的多体自由面网格模型,并对不同波浪参数的入射波对多浮体结构所受波浪力与运动的影响进行了研究。

论文目录

  • 摘要
  • ABSTRACT
  • 第一章 绪论
  •   1.1 研究目的及意义
  •   1.2 国内外研究现状
  •     1.2.1 频域分析理论
  •     1.2.2 时域分析理论
  •   1.3 本文主要内容
  • 第二章 时域分析的基本理论与数值模型
  •   2.1 初边值问题
  •     2.1.1 流场定义和坐标系
  •     2.1.2 控制方程
  •     2.1.3 边界条件
  •     2.1.4 初始条件
  •   2.2 入射势的求解
  •   2.3 速度势的时域求解
  •     2.3.1 边界积分方程的建立
  •     2.3.2 边界积分方程的离散
  •     2.3.3 时间步进过程的实现
  •     2.3.4 浮体湿表面射流处理
  •   2.4 浮体运动方程的求解
  •     2.4.1 浮体运动方程的建立
  •     2.4.2 运动方程的耦合求解
  •   2.5 EMT优化技术的应用
  •     2.5.1 EMT的技术理论
  •     2.5.2 EMT的数值实现
  •   2.6 网格的更新方法与插值技术
  •     2.6.1 水线节点插值更新
  •     2.6.2 瞬时湿表面网格更新方法
  •     2.6.3 自由面初始网格自动划分
  •     2.6.4 网格光顺技术
  •     2.6.5 网格重构技术
  •   2.7 程序计算流程
  •   2.8 本章小结
  • 第三章 单浮体在波浪中运动的全非线性时域模拟
  •   3.1 数值模型参数
  •   3.2 全非线性计算程序数值验证
  •     3.2.1 不同缩尺比计算模型验证
  •     3.2.2 固定单浮体波浪力对比验证
  •   3.3 单浮体与波浪作用的收敛性分析
  •     3.3.1 网格尺度收敛性分析
  •     3.3.2 时间步长收敛性分析
  •   3.4 波长对单浮体波浪力和运动的影响研究
  •     3.4.1 不同波长下单浮体所受波浪力的变化特性
  •     3.4.2 不同波长下单浮体运动响应的变化特性
  •   3.5 波幅对单浮体波浪力和运动的影响研究
  •     3.5.1 不同波幅下单浮体所受波浪力的变化特性
  •     3.5.2 不同波幅下单浮体运动响应的变化特性
  •   3.6 一个波浪周期内自由面高程云图
  •   3.7 一个波浪周期内压力等高线图
  •   3.8 本章小结
  • 第四章 多浮体结构在波浪中运动数值模拟
  •   4.1 多浮体结构基本参数
  •   4.2 多体初始自由面网格的生成
  •   4.3 波长对多浮体结构波浪力和运动的影响研究
  •     4.3.1 不同波长下多浮体结构所受波浪力的变化特性
  •     4.3.2 不同波长下多浮体结构运动响应的变化特性
  •   4.4 波幅对多浮体结构波浪力和运动的影响研究
  •     4.4.1 不同波幅下多浮体结构所受波浪力的变化特性
  •     4.4.2 不同波幅下平台运动响应的变化特性
  •   4.5 一个波浪周期内自由面高程变化云图
  •   4.6 本章小结
  • 结论
  • 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: 张梓霖

    导师: 吴国雄

    关键词: 全非线性,势流理论,边界元法,技术,多浮体结构

    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.2019.000145

    总页数: 134

    文件大小: 19120K

    下载量: 65

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