【毕业学位论文】（Word原稿）分层流体中正向波与柱形结构物的相互作用-流体机械及工程

分类 号 密 级 编 号 中国科学院研究生院 硕士学位论文 分层流体中正向波与柱形结构物的相互作用 冯 波 指导教师 郑永红 研究员 博士 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 2007 年 6 月 论文答辩日期 2007 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 i 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 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，采用解析和数值方法分别求解 实际的分层 海洋 流体中 正 向波与结构物的相互作用。 本论文 分 以下几个部分：第一章主要介绍了 研究 分层流中正 向波与结构物的背景及现实意义，并对 正 向波与结构物相互作用的研究现状进行了总结。第二章应用解析方法 （ 多极子展开 ） 分析了相对简单的 无限水深分层流体中正 向波与 单个水平淹没 圆柱体 的相互作用， 随后 在此基础上 将问题延伸到多个 水平 淹没圆柱体的情况 。 第三章 应用 数值模拟方法 （ 边界元 ） 解决 分层流中 正 向波与结构物作用的水动力学问题 。 第四章 重 点 分析了 多 个圆柱体和矩形结构 体在 正 向波作用下的水动力学特性， 以及不同工况下正向波与几种 不同 形状浮体相互作用下的水动力学参数的变化规律 。最后 总结了主要理论成果及展望后续的研究工作。 本文将 多极子展开方法 应用于 求解分层流体中波浪与 水平圆柱结构物的相互作用 , 研究 表明 作用在双淹没圆柱体上的波浪力大小跟圆柱体位于那层流体中有关 ; 而对于淹没四个圆柱体的情况 ，在低频和高频区 新增 两个圆柱体对原先两圆柱 波浪力 的影响比较小，而在中频区影响却非常明显，对于透反射能量的影响则与圆柱体位于那层流体中以及 入射波的模态都有紧密的关系 。 在 采用 边界元方法 研究分层流中 任意 形状 截面浮体 的水动力学 特性 中 ，发现 相对宽度、淹没深度以及两层密度之比等几何 或物理 参数的改变对 不同形状浮体 的 波浪力都有很大的影响 ，而且两矩形浮体所受波浪力随着它们间距的增大而周期性的变化 ， 这些 新研究结果 对设计海洋结构物具有重要的参考价值 。 关键词 ： 正 向波；解析方法；数值方法 ；圆柱体；矩形结构体 he on is of of In is to to of of in a of of on of in a , is a is by of an to an of is to of on of an of on in In of in a by of we on is by of of on of in in be of is of is to on of we on is of be on of 目 录 I 目 录 第 1 章 绪 论 . 1 引言 . 1 分层流体中正向波与结构物相互作用的研究进展 . 1 国外的研究情况 . 2 内的研究情况 . 3 本文的主要工作 . 5 第 2 章 分层流体中正向波与柱形体相互作用的解析方法 . 9 引言 . 9 单个柱形体的问题描述与数学模型 . 9 射问题的控制方程及边界条件 . 11 射问题的控制方程及边界条件 . 11 射势和辐射势的求解 . 12 没柱形体的水动力学参数的计算 . 16 正向波与多个淹没柱形体的相互作用 . 22 界条件和求解方法 . 22 浪力和水动力学系数的计算 . 27 结束语 . 29 第 3 章 分层流体中正向波与结构物相互作用的边界元方法 . 33 引言 . 33 问题描述和数学模型 . 33 数值方法 . 35 边界积分方程与格林函数的选取 . 35 边界积分方程的离散 . 36 水动力学参数的计算 . 37 波浪激励力 . 37 水动力学系数 . 38 目 录 透反射系数和能量 . 38 方法验证与结果分析 . 39 形截面浮体的计算结果 . 41 形截面浮体的计算结果 . 42 结束语 . 44 第 4章 计算结果分析 . 49 前言 . 49 计算结果的比较和分析 . 49 多个淹没柱形体的计算结果分析 . 49 几种不同形状浮体的水 动力学结果 . 55 个淹没矩形体的计算结果分析 . 60 主要结论 . 62 第 5 章 结论与展望 . 65 结 论 . 65 展 望 . 66 致 谢 . 67 硕士期间发表文章 . 68 作者简介 . 69 第 1 章 绪 论 1 第 1 章 绪 论 引言 海洋波浪与 结构物（ 如船舶、管道和波能装置 等）的相互作用是海洋工程中的研究课题之一 。 研究水波与结构物相互作用的理论结果为海洋交通（波浪与船舶）、海水养殖（波浪与网箱）、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 110提供了理论依据，同时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。 早 期 的研究大多是在海水密度均匀分布这一假定下进行， 然 而实际中 由于温度和盐度 的 影响，海洋中的流体呈明显的密度分层 (层化 )现象，如我国的渤海、黄海、东海以及南海海域 ,都存在着明显的海水垂直分层现象 11. 海水层化使海洋中的波动现象变得复杂起来，流体中将会有两个模态的波 , 即表面波和内波 对海洋结构物的安全性可能造成严重威胁 在安得曼海的一个石油钻井机 ,由于内波的作用被推转了 90 12； 1992年我国南海东部石油公司在东沙群岛附近的石油钻井机在内波经过时无法操作 ,锚定的油罐箱在不到 510 13. 因此 ,人们决不能轻视这些隐藏在水下的轩然大波（内波）的威力 14. 分层流体中正向波与结构物相互作用的研究进展 关于海洋内波的研究， 早在上世纪 60 年代初， 5就研究了 分层 流体中的船行波问题，但分层流体中波浪与结构物的作用问题直到上世纪 90年代，才引起国内外学术 界的重视， 并 已取得了不少研究成果 其研究还正处于起步状态 , 还有大量基础性 、机理性的研究工作需要进行 16. 纵观学者关于 分层流体中正向波与结构物相互作用的研究 ，主要采用的方法有理论分析、数值模拟、实验模型测试 极子展开和最小平方近似方法等 ； 数值模拟方法中应用比较广泛的是有限差分分层流体中正向波与柱形结构物的相互作用 2 法、有限元法和边界元法 年来较有影响的期刊收 录的相关文献，按照国内外的研究情况分别简述相关文献内容，重点是 近十几年来的研究进展 . 国外的研究情况 国外 关于 分层流中正向波与结构物相互作用的 研究 ， 早期 主要集中于圆柱体或球体结构物在分层流体中的水动力学特性方面 。 在已有的研究工作中， 最早7研究了两层流体中圆柱潜体对波浪的散射问题，结果表明波浪能量能够从一种模态转换到另一种模态； 18利用多极子展开 法 研究了无限水深条件下，单个无限长的水平圆柱体在两层流体中对正向入射波的散射问题，发现当圆柱体置于上层流体中会出现波浪反射现象 ,这与无限深均匀流体中 无限长的水平圆柱 体 对波浪不会反射 19有着本质差异 ；文献 20中作者 采用同样的方法研究了无限 深度 两层流体中的三维球体结构物对波浪的散射效应。 1研究了分层流体中内波对淹没运动圆柱的绕射问题 ，获得了 波浪力等数 值结果 ； 22通过富里叶变化对于分层流体中震荡圆柱受到的力学参数（附加质量和阻尼衰减系 数）做了研究，发现分层效应对流体与物体的相互作用有着很大的影响（ 当垂向分层深度的减小，物体对内波的辐射效应也随之减小 ） ； 随后文献 23作者采用同样的方法把问题延伸到三维球体的情形，发现此时的水动力学负载与二维问题情形有着本质的不同，并且发现尤其在低频的情况下，三维问题的阻尼衰减系数趋于零值，这与二维情形下趋于最大值有着很大的区别。 4对于交界面处存在振荡圆柱的 有限水深 分层流情况进行了水动力学分析，作者采取混边界元的办法（物体附近的狭窄区域采用有限元，其他的外部区域采用边界元），计算了 圆柱体的 附加质量以及阻尼 衰减系数 等水动力学 特性 。 最近国外学者对于方体结构和一些复杂形状浮体采用数值方法做了很多方面的研究。 5基于面元法对箱形浮 体的水动作用力进行了数值分析 , 表明在某个频率范围内 , 流体的分层效应对浮式结构物水动作用力的影响是不可忽视的 。 6采用边界元 研究了分层流体中浮体的波浪力 ， 发现当下层密度较大时，密度比的变化 对浮体受到的 垂向力 及共振频率有显著影响， 且 两层流体的 交界面位置对纵摇 、横摇的影响比垂荡的影响要明显许多； 第 1 章 绪 论 3 采用同样的方法， 7 、 28计算了浮体在两层流体交界面处做小幅振荡情况辐射问题的附加质量和阻尼衰减系数； 9 推导 了置于 有限 水深 两 层流 体 中 的物体与波浪作用的二维 复杂格林函数， 对于 同时淹没在分层流 体 上 、 下层 的 物体的 辐射问题做了研究 ； 随后 30又对文献 29模型的波浪绕射问题做了研究，作者调查了两层密度比和交界面位置变化对波浪激励力的影响，并采用实验方法进行了验证。 31和 32研究了两层流体中波浪与物体相互作用的俘获波模式。 33采用最小平方近似方法研究了两层流体中波浪与多孔渗水板的相互作用，并分析了不同物理参数变化对透反射系数、波浪负载以及渗水板响应的 影响； 34采用同样的方法对于 两层流体中多孔渗水板插到海底的情况做了研究，得到了两层密度比和挡板参数等条件的变化对反射特性影响的结果。 35研究了分层流体水深变化情况下波浪与浮体的相互作用，通过一种近似的方法对于垂向水深的影响进行了分离，对于的波浪绕射问题进行了探讨。 内的研究情况 我国对分层流体中波浪与结构物相互作用的研究也有了良好的开端。在解析方法求解方面，最早 吴建华 等 36采用 本征函数展开方法 研究了 层化流中的线性波浪绕射和散射理论， 计算了圆柱浮筒在 两层海洋中 的附加质量和阻尼系数。结果表明，当振荡频率甚低时， 层化将对浮体的运动响应特性产生影响，当系泊浮体在密跃层上方时，这种影响是不可忽略的。 魏岗 37采用理论分析和实验模拟相结合的方法研究了分层流体中运动潜体所产生的线性 孤立内波以及代数孤立波，阐明了运动源致内波的特定结构及其对自由面产生的影响 ，随后魏岗 等 38又 基于水波动力学势流理论 ,采用 探讨对合成孔径雷达成像起重要作用的自由面辐散场的变化规律 。 尤云祥等 39基于分量变 量法，建立了平底有限水深条件下，两层流体中插底圆柱形桩柱（桩柱由海底直伸出海面）的绕射问题的级数解，并对大直径桩柱的表面波波浪力和内波波浪力进行了计算，发现当波数较大（短波）时，圆柱体受到的总波浪力与单层流体的波浪力相比变化非常明显；接着 尤云祥等 40在文献 39的基础上，又建立了插底圆柱体辐射问题的级数解，发现对插底分层流体中正向波与柱形结构物的相互作用 4 圆柱体的绕射问题，当某一种模态的入射波遇到圆柱体时 , 只有该模态的绕射波存在 , 而对插底圆柱体的辐射问题 , 则两种模态的辐射波将同时存在， 并研究了 两层流体密度比和深度比的变化对两种模态水 动作用力的影响 ；采用同样的方法， 尤云祥等 41基于特征函数展开理论研究 了 两层流体中表面波模态和内波模态的波浪与半潜式刚性垂直薄板相互作用的问题 , 得到了 半潜式刚性垂直薄板的反射与透射能量的计算方法 ,证明了对每一种模态的入射波 ,另一种模态波浪的反射与透射能量是相等的 ，并 表明在某个频率范围内 ,流体的分层效应对这些水动力量的影响是不可忽视的 。 石强等 42研究了两层流体中水波与水面漂浮矩形箱的相互作用问题 以及作用在其上的波浪力的解析计算方法 矩 形箱的底部位于两层流体界面上时，两种模态的能量转化量是最大的，而且内波模态波浪力的影响更显著 。魏岗 等 43基于匹配渐近展开和格林函数的方法 ,研究了 两层流体系统中内孤立波在台阶地形上透射、反射及其分裂的演化特征 ,根据散射反演理论获得了反射波和透射波的解析表达式 ， 并发现 上下流体层的厚度比、密度比以及台阶高度对于反射和透射波振幅及其分裂具有显著的影响 ； 随后他们 44又 采用边缘层理论研究了两层流体系统中内孤立波在潜浮式竖直薄板上的透射和反射问题，分析了内孤立波与薄板非线性相互作用的效应。 在数值计算方面， 早期 吴 建华 等 45利用格林公式 给出了在层化海洋中用格林函数表出的波浪绕射与散射波场中的扰动压力振幅的积分解表达式，并采用出了相应的边界积分方程，成功地将边界元方法应用于层化海洋中的波浪绕射和散射问题的研究中来。 同样利用边界元法， 蔡泽伟 等 46计算了 层化流体中细长体受到的一阶垂荡波浪力和一阶纵摇波浪力矩 ； 金跨凤 等 47计算了两层流体中球体在典型内波作用下受到的一阶垂荡波浪力和一阶纵摇力矩，发现界面低频长波一阶波浪力和力矩对潜体影响很小，短内波却产生较大的作用力；文献 48作者基于 立了三维物体在有限水深两层流体中运动的边界积分方程，并数值模拟了运动球体生成的表面波和内波问题； 朱伟 等 49研究了在两层流体中定常运动的三维物体产生的内波尾流场特性 ， 对定常运动三维球体产生的表面波和内界面波进行了数值模拟 ,并与定常运动点源的结果进行了比较 。 蔡树群 等 50通过引入 出了一种估算孤立子内波对小直径圆柱形桩柱作用力和力矩的方法，发现 孤立子第 1 章 绪 论 5 内波对桩柱的作用力和力矩远大于表面波的 ； 采用同样的方法 文献 51作者 对小尺度物体的内波荷载问题进行分析和计算 在实验研究方面 ,马晖扬 等 52在静水槽中进行了分层流体中运动物体 生成的内重力波与自由面相互作用的实验研究。分层介质为水 盐水两种情形 ， 研究的重点是物体在密度突跃层附近运动时导致的自由面的特定变形，讨论了物体的位置和运动速度等因素对变形形态的影响 ， 对密度突跃层本身的变形特征也作了描述。 本文的主要工作 本文的主要工作是研究 分层流体中正向波与柱形体相互作用 下 的 水动力学特性。 第二章主要采用解析方法讨论正向波与 柱 形结构物的相互作用，求解得到了不同工况下入射波作用下与 柱 形体相关的辐射和绕射问题，给出了水动力参数如波浪 激励 力、附加质量 和 阻尼 系数、 透反射系数 和能量 等的计算方法。 第三章主要利用边界元方法求解正向水波与结构物的相互作用，计算了正向波与圆柱体、正向波与矩形体等工况的相互作用水动力 结果 ，并将数值结果与相应的解析结果进行了对比。 第四章 给出了 分层流体中 多 个 圆柱型体和多 个 矩形体水动力学参数的 变化规律，以及不同工况下几种不同形状物体波浪力的计算结果，分析了各个物理量的 影响 规律，得出了一些有意义的结果。 第五章对本文工作进行了总结，并展望下一步的工作。 分层流体中正向波与柱形结构物的相互作用 6 参 考 文 献 1 梅强中 . 水波动力学 M. 戴世强，周显初整 理 . 北京 : 科学出版社， 1984. 2 吴耀祖 . 水波动力学研究进展 J. 力学进展， 2001， 31(3): 3273 刘应中，缪国平 . 船舶在波浪上的运动理论 M. 上海 :上海交通大学出版社 ,1987. 4 李玉成，腾斌 . 波浪对海上建筑物的作用 M. （第二版） 北京 : 海洋出版社， 2002. 5 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. 6 ., of in . 1997, 19: 1417 et on . 2002, 16(1): 1418 ., ., et 2002, 6: 4059 et of . 2003, 17(1): 10110 谢世楞 . 90 年代我国防波堤设计进展 J. 水运工程， 1999, 309(10): 1111 杜 涛 , 吴 巍 , 方欣华 . 海洋内波的产生与分布 2001,25(4):2512 L. in 1980, 208：45113 C., A., C, et on in ea an . 1 . 1991. 16514 李家春 . 水面下的波浪 J. 力学与实践 , 2005, 27(2): 115 in a . 1961, 11, 22916 尤云祥 , 石 强 , 缪国平 . 两层流体中大直径圆柱体的水动作用力 J. 上海交通大学学报 , 2005, 39(5): 69517 of on a . 1993, 2: 30- 45. 18 M. of in 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On of by a . 1948, 44: 48320 in . 2000, 423: 155第 1 章 绪 论 7 21 of by a at in a . 1998, 34(3): 24922 ., . on a in a . . 2002, 451(1): 42123 ., . on a in a . . 2003, 494: 3324 of a at in a of . 2005, 40(2): 27325 T. of in a . of 2. D. C., 1999, 875- 887. 26 M. of a in a 2. 2005, 15 (3): 175 27 of a of a of . 2003, 44(4): 516 28 in a by of a . 2002, 37(4): 60029 I., M. of a in a of . J. 2004, 9 (3): 12730 M., I ., M. of a in a of . J. 2005, 11(3): 150 31 C. M., J. R. in a . 2003, 481: 215 32 N., P., P. in a . 2003, 490, 32133 P. T. a in a . 2006, 132(9): 1007 34 S., . by in a . 2005) 2005, 3: 57235 D. in a of . 2005, 524: 20736 吴建华 , 吴秀恒 , 李世谟 . 大尺度物体在层化海洋中的波浪绕射和散射理 (