题名波浪与大规模圆柱阵列的相互作用
作者于法军
答辩日期2019-05-23
文献子类博士
授予单位中国科学院大学
授予地点北京
导师曾晓辉
关键词圆柱群阵列,捕获波,波动特性,非传播模态,有相对运动
其他题名Interaction between Waves and Arrays with Large Numbers of Circular Cylinders
学位专业工程力学
英文摘要

随着资源的开发进一步向深海海域推进,以各类圆柱结构为水下支撑结构的海洋结构物得到更加广泛的应用。波浪与圆柱群阵列的水动力相互作用是海洋工程结构设计的核心问题之一。对于像浅海海域的钻井平台,跨海大桥等结构物,作为支撑结构的圆柱群阵列坐于海底垂直穿出海面,一般模型化为坐底圆柱群阵列。对于像浮式钻井平台,海上漂浮机场等结构物,圆柱群阵列漂浮在海面上,各个圆柱单元之间是固定的,一般称为“柱间无相对运动”的截断圆柱阵列。而对于各个圆柱之间没有刚性连接或者刚性连接很弱的波浪能发电单元等结构物,在波浪作用下会产生相对位移,这一类圆柱群阵列称为“柱间有相对运动”的截断圆柱阵列。

目前来看,虽然基于势流理论的线性波浪理论正趋于成熟和完善,但是已有的研究对圆柱群阵列水动力特性的理解还不完整。对于坐底圆柱群阵列,许多学者对坐底圆柱阵列水动力幅值曲线所反映的捕获波模态以及其附近的一系列次级峰谷进行了大量研究。而对于水动力幅值曲线上反映的有规律的波动特性没有研究。对于截断圆柱阵列,目前的研究多集中于“柱间无相对运动”的截断圆柱阵列;而对波浪入射作用下的“柱间有相对运动”的截断圆柱阵列的水动力特性问题研究还相对较少。本文主要关注于对坐底圆柱阵列水动力波动特性的深入理解和对波浪入射作用下“柱间有相对运动”的截断圆柱阵列的水动力特性的研究。

对于有限长的单排坐底圆柱阵列,研究了水动力幅值随无量纲波数变化曲线的波动特性。经过大量的研究及规律总结,将坐底圆柱阵列水动力幅值曲线分为典型的三个区域。由捕获波模态引起的高耸的尖峰称为Region IRegion I左侧的一系列次级波峰和波谷称为Region II。除了Region IRegion II两个区域之外的区域被称为Region III。目前对Region IRegion II区域的研究和认识较为深入,而对Region III区域中波浪力幅值曲线的波动规律和物理意义认识较少。研究发现,在Region III区域,波浪力幅值曲线具有非常有规律的波动现象。该曲线相邻极大或极小值点的横坐标间距ΔRegion III中是定值,不随无量纲波浪频率改变。Δ只与阵列中圆柱总数N,标识圆柱位置的圆柱编号k,波浪入射角β有关。我们基于水波绕射理论和波的相长/相消理论这两种方法证明,上述看似复杂无章的波动现象实际上可以由非常简洁的公式来预测,并揭示了波动现象的物理机理。第k柱波动间距Δ的数值主要由第k柱上游和下游距离其最远的圆柱阵列端部的两个圆柱的贡献决定。这种波动现象是由于第k柱上下游柱子绕射波的相长和相消干涉交替出现所致,它与非齐次方程的解有关。相反Region IRegion II与齐次方程的特征值问题有关。

对于波浪入射作用下“柱间有相对运动”的截断圆柱阵列,重点研究了不同参数组合下的水动力特性。首先,基于相互作用理论,编写了波浪入射作用下“柱间有相对运动”的截断圆柱阵列绕-辐射计算程序,将波浪绕射激振力、绕辐射力、辐射运动振幅、波浪爬升以及水动力系数等物理量与已有文献进行了对比,验证了本文的正确性。其次,研究了柱间非传播模态对“柱间有相对运动”的截断圆柱阵列水动力特性的影响。研究发现,柱间距、水深-吃水比对柱间非传播模态都有影响。随着柱间距的增大,柱间非传播模态的影响越小;随着水深-吃水比的减小,柱间非传播模态的影响增大。然后,初步研究了“柱间有相对运动”的截断圆柱阵列波浪激振力和辐射问题的振幅的高耸的尖峰。研究发现,截断圆柱阵在波浪作用下的绕射水动力幅值曲线具有和坐底圆柱阵列的绕射水动力幅值曲线一样的波动特性,绕射水动力幅值曲线和辐射运动的振幅存在明显的类似于坐底圆柱阵列捕获波模态的高耸尖峰。最后,研究了水深-吃水比和阵列排布对波浪入射作用下“柱间有相对运动”的截断圆柱阵列波浪爬升的影响。截断圆柱阵列波浪爬升随着吃水的增加而增大,随着圆柱阵列行数的增加而增大。另外,波浪场中某一点的波浪爬升高程随无量纲波数的变化曲线存在与坐底圆柱阵列水动力幅值曲线类似的波动特性。波浪高程的计算点越靠近阵列前面几个圆柱,波动就越密集,反之亦然。

语种中文
内容类型学位论文
源URL[http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/79091]  
专题力学研究所_流固耦合系统力学重点实验室(2012-)
推荐引用方式
GB/T 7714
于法军. 波浪与大规模圆柱阵列的相互作用[D]. 北京. 中国科学院大学. 2019.
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