【毕业学位论文】斜向波与矩形结构物的相互作用-流体机械及工程

分类号 密级 U D C 编号 中国科学院研究生院 硕士学位论文 斜向波与矩形结构物的相互作用 刘 鹏 飞 指导教师 郑永红 研究员 博士 中国科学院广州能源研究所 游亚戈 研究员 硕士 中国科学院广州能源研究所申请学位级别 硕士 学科专业名称 流体机械及工程 论文提交日期 2006 年 6 月 论文答辩日期 2006 年 6 月 培养单位 中国科学院广州能源研究所 学位授予单位 中国科学院研究生院 答辩委员会主席 摘 要 水波与结构物相互作用的水动力学分析是研究海洋结构物在海洋波浪作用下的动态响应的理论基础。本文通过简化的二维模型近似模拟三维问题，采用解析方法和数值方法分别求解斜向波与结构物的相互作用。 本论文包括以下几个部分：第一章主要介绍了研究斜向波与结构物的背景及现实意义，并对斜向波与结构物相互作用的研究现状进行了总结。第二章分析了相对简单的平底无限域条件下斜向波与漂浮矩形体的相互作用，在此基础上进一步讨论了半无限域漂浮矩形体、无限域和半无限域淹没矩形体以及多个矩形体的问题，文中给出了每一种数学模型的求解方法，推导得到了相应的波浪力和水动力学系数。数值模拟方法也是求解水波与结构物问题的常用方法，第三章介绍了如何应用边界元方法解决斜向波与结构物作用 的水动力学问题。和解析方法相比，数值模拟方法的优点是可以解决形状复杂的结构物及不规则的边界条件下的水波问题，文中不但计算了斜向波与矩形结构体相互作用的问题，而且求解了斜向波与圆柱体的散射和辐射的问题，并验证了解析方法的结果。通过对不同工况下矩形体的波浪力和水动力学系数的分析，本文得到了矩形体在斜向波作用下的水动力学特性，第四章着重分析了矩形体在斜向波作用下的水动力学特性，这对研究与设计海洋结构物具有重要的参考价值。最后，本文总结了主要理论成果及展望后续的研究工作。 关键词： 斜向波；矩形结构物；解析方法；数值方法 he on is of of In is to to of of on , is , a is of a is to of by of is be of . In of in 目 录 第 1 章 绪 论 .引言 .斜向水 波与结构物相互作用的研究进展 . 解析 方法 . 数值 模拟方法 . 实验 研究和现场观测 .本文的 主要工作 . 2 章 斜向波与矩形体相互作用的解析方法 .引言 .漂浮矩 形体的问题描述与数学模型 . 辐射问 题的控制方程及边界条件 . 绕射问 题的控制方程及边界条件 . 辐射势 和绕射势的求解 . 漂浮矩 形体的水动力学参数的计算 .淹没矩 形体的问题描述与数学模型 . 辐射和 绕射问题的控制方程及边界条件 . 辐射势 和绕射势的求解 . 淹没矩 形体的水动力学参数的计算 .斜向波 与多个淹没矩形体的相互作用 . 边界条 件和求解方法 . 波浪力 和水动力学系数的计算 .结束语 . 3 章 斜向波与结构物相互作用的边界元方法 .引言 .问题描 述和数学模型 .数值方 法 . 录 边界 积分方程与格林函数 . 边界 积分方程的离散 . 奇异 积分的处理 . 开边 界条件的处理 .波浪激 励力和水动力学系数 . 波浪 激励力 . 水动 力学系数 .方法验 证与结果分析 . 矩形 体截面的计算结果 . 圆型 截面的计算结果 .结束语 . 4 章 计算结果分析 .言 .算结果 的比较和分析 . 计算 结果比较验证 . 漂浮 矩形体的计算结果分析 . 淹没 矩形体的计算结果分析 . 多个 矩形体的计算结果分析 .要结论 . 5 章 结论与展望 .结 论 .展 望 .士期间发表文章 . 谢 .者简介 . 1 章 绪 论 引言 国内外关于波浪与结构物的相互作用问题最早可以追溯到 20 世纪 40 年代，由于近年来人类对海洋资源的开发和海洋活动 的日益频繁而再度成为活跃的研究领域17。研究水波与结构物相互作用的理论结果为海上旅游（波浪与交通工具） 、海水养殖（波浪与网箱） 、海洋交通（波浪与船舶） 、海洋能发电（波浪与潮流能装置、波能装置）以及海岸保护（波浪与防波堤）等提供了理论依据，根据研究成果可以设计出安全、稳定的海上结构物，从而避免或者尽量减小国家和人民的生命财产损失；另一方面，理论研究丰富了海洋工程科学，可以指导实验研究以及验证数值模拟方法的正确性和精度。 斜向水波与结构物相互作用的研究进展 由于求解完全的三维问题较为复杂，研究人员在研究水波与结构物相互作用时通常采用平面的二维模型来近似三维问题。一般情况下的水波为多向的不规则波，根据叠加原理可以分解为多个斜向水波，因此研究斜向波更具有普遍意义。对斜向波与二维结构物的相互作用的研究已有相当多的理论成果，其主要问题是研究斜向水波与结构物相互作用下所表现出来的水动力特性，如绕射、辐射、波浪力、附加质量和透反射系数等。与大多数研究一样，斜向波与结构物的研究可分为理论分析、数值模拟、实验室的模型试验和现场观测，本文主要总结国内外较有影响的期刊收录的相关文献，按照不同的研究方法分别简述相关文献内容，重点是最近二十年来的研究进展。 解析方法 纵观国内外斜向波与结构物相互作用的相关文献，解析方法主要有特征函数展开、互余近似方法和多极子方法等。在已有的研究工作中， 采用特征函数展开法求解了斜向波与三种型式的垂直薄板相互作用的透反射系数。在文斜向波与矩形结构物的相互作用 献 9中作者采用同样的方法研究双色入射波与薄板的相互作用， 得到了长波 （浅水波）和短波条件下透反射系数随薄板尺寸以及入射波角度变化的规律。1采用特征展开对在同一平面上的无限多相同薄板结构与斜向入射波作用的问题进行了研究， 计算得出薄板相对几何尺寸对透反射系数的影响规律。 矩形体是一种常见的结构型式， 研究矩形结构与水波的相互作用对于建造防波堤有重要意义。 2采用线性水波理论研究了由一组斜向短波与水流通过矩形阶梯而产生的长波问题。 3、 4采用特征展开的方法探讨了斜向波与淹没矩形体的相互作用。 5研究了漂浮无限长矩形体与斜向波的相互作用， 指出了矩形体的几何尺寸、 入射波角度和入射频率的变化对波浪力、透反射系数、附加 质量以及阻尼系数的影响。根据 6和7提供的计算方法，作者验证了计算结果的正确性并指出反射特性。819在求解一组垂直圆柱之间的波浪散射和辐射问题时采用大距离近似的方法，结果给出了波浪力和和附加质量等的计算结果。滕斌等2021应用镜像法求解直墙前单个垂直圆柱与入射波的相互作用， 考察了圆柱的散射和辐射问题。 2用特征函数展开和最小平方近似 的方法求解了不同淹没型式的透空薄板与斜向波的作用， 得到了反射系数、 波浪作用于波板的压力相对于透空参数、入射角度等的变化关系。 3研究了碎石透空结构防波堤的反射系数和波浪力的特性， 认为填充碎石结构增加了反射系数同时也降低了作用于防波堤的波浪力。 4研究了入射波斜向入射条件下多层矩形体的波阻特性， 并计算了水波的能量损失。李玉成等2527研究了斜向波与开孔沉箱的相互作用，指出了波浪力随角度变化的规律。 8给出了放置在碎石基床上的均匀开孔沉箱在斜向入射波的作用下达到最小反射系数的条件。滕斌等2930求解了开孔结构的波浪作用力及反射特性。 1采取平均时间和深度的动量方程求解透空防波堤中的流动问题， 根据方程很明显地得出水深、 入射波高、 频率、入射角度以及透空结构的参数对理论结果有直接的影响。根据 2研究的结果， 参数一定的结构物以及波高和频率相同的斜向入射波， 存在特定的入射角度使得反射系数达到最小， 文献 31验证了这一结果。 235采取了特征函数展开法研究斜向波与透空结构的相互作 用，得到了透空结构的透反射特性。 2第 1 章 绪 论 在研究散射问题时， 互余近似也是研究人员经常采用的一种方法。 6采用互余近似的方法求解了斜向波与底部带有 阶梯的淹没矩形体的相互作用的透反射系数。 在文献 37中， 出透反射系数的变化规律。 8计算了 斜向波与薄板的相互作用下的透反射系数， 分别讨论了不同淹没型式薄板的透反射系数特征。 9提出了两个完全相同的垂直平行的薄板与斜向波相互作用的问题，采取互余近似的方法求解了透反射系数。 0研究了四种薄板型式，求解了每一型式的薄板较为精确的透反射系数。 1讨论了单个和两个相同平行的带有间隙的垂直淹没薄板与 斜向波相互作用的问题，通过构造极子方法是研究 水波与结构物作用的另一种方法， 2采用多极子展开方法求解了水平淹没在上下两层流体中圆柱斜向入射波的散射问题。 数值模拟方法 计算流体力学中有多种数值求解方法， 各种数值方法的数学原理不同但都有两个基本的原则， 即离散化和代数化。 在流体力学数值方法中， 应用比较广泛的是有限差分法、 有限元法、 边界元法、 有限体积法和有限分析法。 本文主要总结有限元法 (边界元法 (相关文献。有限元法的主要优点是对于求解区域的单元剖分没有特别的限制，因此特别适合处理具有复杂边界流场的区域。在以往的研究中，赵丽娟43根据已有研究的成果提出了计算波浪力的几种方法，指出对绕射问题进行数值求解的主要难点，阐述有限元方法在数值计算中的优点。 4采用有限元方法计算了斜向波与两个半径相同的平行漂浮圆柱体的相互作用的辐射和绕射问题， 并用多极子方法得到的结果进行验证， 对比表明有限元法得到数值解较为精确， 其中的共振等现象对设计相关结构具有参考价值。 5用有限元法分析斜向入射波与任意截面形状的自由漂浮结构物相互作用时的绕射和辐射问题， 作者又进一步研究了二维水平漂浮结构物在多向入射波作用下表现的水动力特性。 在以往采用边界元方法研究斜向波的工作中， 6计算了斜向波作用于水平淹没的圆柱体的波浪力和惯性系数。 7采用二维3斜向波与矩形结构物的相互作用 格林函数的边界元方法研究了斜向波与流域底部带有矩形阶梯结构的相互作用。850采用边界元的方法分析了斜向波与薄膜的的相互作用， 得到了不同型式薄膜和结构物的反射效果以及所承受的波浪力。 1利用边界元法计算了水波作用于一组垂直圆柱的作用力，与 2相比作者采用新的边界条件在保证计算精度的条件下提高了计算效率。 实验研究和现场观测 实验研究主要是在实验室内对一些典型结构的数值测量， 为数学模型验证提供事实依据。 3通过实验确定了入射波在不同入射角度情况下对直墙的作用力， 讨论了计算波浪力的压力公式， 最后给出了关于建造防台风防波堤的建议。 吴岩54等为验证基于缓坡方程和波浪折射和绕射综合问题的数学模型， 在波浪水池中对缓坡地形上的双突堤在规则波、 单向不规则波和多向不规则波作用下的折射、绕射综合影响进行了实验研究，并将 实验得到的结果进行了比较。5在水槽中测量了驻波对垂直墙壁的压力,分成规则波和任意波两种情况讨论。 实验结果显示线性水波理论很好地预测了规则波在中等深度和深水条件下小波幅水波的动压力。 6提出了一种估算深水中斜向波作用于淹没的水平圆柱和垂直圆柱的波浪力的实验方法， 并给出了计算波浪力的经验公式。 得到的结论是作用于垂直圆柱上的波浪力与淹没在振荡流体中的圆柱受力结果一致。 7在实验中研究了斜向规 则波和不规则波与梯形截面的碎石透空结构相互作用下的反射特性。 李玉成58对规则波与直墙的相互作用的进行了实验研究， 给出了每延米斜向波波浪力与正向力之比， 以及当单元直墙长度不同时该单元上平均每延米斜向波波浪 力与各影响参数之间的相关关系式，也得出了斜向波反射系数和正向波相比不发生变化的结果。在文献59中，研究人员通过对长峰不规则波和方向波谱对直 墙的作用研究分别给出了每延米斜向不规则波浪力与正向力之比， 以及方向波谱波浪力与斜向长峰不规则波波浪力之间的关系。 邹志利等人60对浮式防波堤在不同吃水深度、 周期、 波高和入射波波型情况， 进行了波浪对浮式防波堤非线性作用力的研究。 俞聿修61实验测试了斜向波作用于直立堤上的单位堤长波浪力， 着重分析了波浪方向、 波陡和波浪不规则性对单位堤长波浪力的影响。 邵利民62改进了可用于斜向入射的不规则波4第 1 章 绪 论 分离的两点法， 使得测波阵列的两波高仪可布置在结构物前任何方向上。 将此方法应用于三维波浪水池的物理模型试验研究， 试验了不同的两波高仪的组合、 不同的基床高度、不同的入射方向和不同的波浪 要素等各种条件对分离结果的影响。 俞聿修等人63试验研究了不同护面块体在斜向入射波和多向不规则波作用下的稳定性， 给出了四种护面块体稳定重量的实用计算方法。 李本霞64通过斜向随机波对直立堤作用的试验， 得出作用在直立堤上的单位堤长波浪力随波浪入射角的变化规律以及波浪力沿堤长的纵向分布， 以及单元堤长对波浪力纵向折减的影响， 并给出了波浪力纵向分布系数和折减系数与相对堤长的关系式。 周国然65介绍了斜桩在波浪、水流和潮位等因素作用下的 桩身受力特性的试验研究,认为测试的桩身弯矩应包括自重力、 浮力、 管内水位、 潮位、 徐变、 流速和波浪的各部分影响。 王登婷66通过物理模型试验， 测量不同底高程条件下弧形防浪墙顶部的越浪量、 迎浪面及底面上的波浪压强和防浪墙的整体稳定性。 王丽勤67等通过正向与斜向波浪对半圆型防波堤 （不开孔出水堤） 的实验研究， 给出了其水力特性及单位堤长所受的无因次水平波浪力、 竖向波浪力和波浪托浮力随各主要影响因素的变化规律， 特别指出了斜向波浪力可大于正向波浪力及水平波浪力中波谷作用大于波峰作用的发生条件。 研究人员认为波陡、 相对波高和入射角是斜向规则波作用时影响半圆堤受力的主要因素。 8在实验水槽中测试了斜向波对淹没水平圆柱的作用力， 在 研究人员测试了不同入射角以及圆柱与底部不同的间隙条件下的波浪力， 同时采用边界元方法验证了相同条件下的波浪力，比较显示在水平方向上理论结果与实际结果符合较好；由于圆柱周围的流体速度的存在使得竖直方向上理论结果与实际值存在差异， 这在圆柱体接近水底的是尤为明显。 9公布了测试斜向波作用于直立反射墙壁下的沙床形状的实验结果。 0等试验测试了斜向波规则波和任意波对淹没于深水中的固定圆柱作用力分布， 同时测量了固定链的张力。 研究人员选取了三个淹没深度分别测试结果，得出了淹没深度和入射角度对实验结果的影响。黄培基等人71在假定堤前波浪不发生破碎和空 间上均匀稳定条件下， 讨论了直立堤前入、 反射渡谱的分离给出了波浪正向和斜向入射都适用的分离公式， 由堤前海浪记录计算入、反射波谱及反射系数，并说明该方法的有效范围。 5斜向波与矩形结构物的相互作用 本文的主要工作 本文的主要工作是研究斜向波与矩形结构物的相互作用下的水动力学特性。 第二章主要采用解析方法讨论斜向波与矩形结构物的相互作用， 求解得到了不同工况下斜向入射波作用下与矩形体相关的辐射和绕射问题， 给出了水动力参数如波浪力、附加质量、辐射阻尼和透反射系数等的计算方法。 第三章主要利用边界元方法求解斜向水波与结构物的相互作用， 利用边界元方法计算了斜向波与矩形体、 斜向波与圆柱体相互作用的水动力系数并将数值结果与解析结果进行了对比。 第四章给出了不同工况下关于矩形体的水动力系数的计算结果， 分析了各个物理量的变化规律。 文中计算得到的水动力学变化规律为构筑海上结构物提供了理论依据。 第五章对本文工作进行了总结，并展望下一步的工作。 6第 1 章 绪 论 参 考 文 献 1 吴耀祖. 水波动力学 研究进展 J. 力学进展， 2001， 31(3): 3272 麦考密 克. 海洋波 浪能转换 M. 许适译 . 第一版 北京 : 海洋出版社 ， 1985. 3 ., of in . 1997,19: 1414 et on . 2002,16(1): 1415 ., ., et 2002,6: 4056 et of . 2003,17(1): 1017 On of by a . 2003,31(8 10638 . 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