平衡态波系下单个圆柱波浪载荷数值模拟

论文摘要

随着陆地能源资源的日益枯竭,人类逐渐把目光投向了占地球表面积70%的海洋,而想获得这些海洋资源,海洋工程结构物是必不可少的。在海洋工程结构物的设计制造中,其环境载荷的预报是一个重要环节。在海洋中,波浪都是非线性的,平衡态波是研究非线性波演化的基础,因此,研究平衡态波系下结构物的波浪载荷具有重要意义。相比与传统的物理模型实验,计算流体力学仿真越来越受到各地从事该领域的科研工作者的欢迎。在诸多计算流体力学软件中,开源计算流体力学软OpenFOAM以其鲜明的优点受到越来越多的人群使用。本文将基于OpenFOAM构建数值波浪水池研究平衡态波系下单圆柱的波浪载荷,主要包括以下几项内容:（1）基于OpenFOAM的造波工具waves2Foam构建的数值波浪水池,采用VOF法追踪自由液面,利用ccm26ToFoam能把Star-CCM强大的网格划分能力应到构建数值波浪水池上。（2）利用构建的二维数值波浪水槽,采用数值模拟与理论值对比的方法,先从单个斯托克斯波的数值模拟进行,验证了构建数值波浪水池的有效性。再对弱非线性平衡态波群进行了模拟,验证该数值水池在平衡态波群的模拟的可行性与准确性后,成功利用此方法模拟了非线性平衡态波群。并针对规则波和平衡态波群的数值模拟的网格划分提出了建议。（3）通过建立三维数值水池,对一组具有相同质量、动量和能量通量的线性波群和非线性波群对单个圆柱的波浪载荷进行了模拟。线性波群与非线性波群作用在同一个单圆柱立柱时,波浪载荷随时间变化趋势与同一位置的池边测得的波高变化趋势相似,其最大载荷的比值与其波浪的最大振幅的比值接近。更大的振幅和更陡的波峰,使得非线性波群在波浪爬高上比线性波更大。本次模拟中两组波群的最大振幅比为1.45倍,但是在圆柱上迎浪面监控到的最大液面高度比为2.275倍,在圆柱的侧面,该比值回落到1.984,圆柱后方为1.322。圆柱对于平衡态波系波群自由液面的影响主要发生在迎浪面以及侧面,对于圆柱后方,影响较为微小。本文成功构建数值波浪水池对平衡态波群进行模拟,并对平衡态波群的数值模拟网格划分提出了建议。在此基础上对一组具有相同质量、动量和能量通量的线性和非线性波的波浪载荷进行了对比分析,对于平衡态共振波的数值模拟具有一定的指导作用。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 谭扬波

导师: 孙江龙,李水才

关键词: 数值波浪水池,平衡态波,单圆柱,波浪载荷

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 海洋学

单位: 华中科技大学

分类号: P75

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.002876

总页数: 82

文件大小: 3046K

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