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垂荡运动圆柱波浪爬升和波浪荷载的数值模拟

垂荡运动圆柱波浪爬升和波浪荷载的数值模拟

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作者：靳林晓大连理工大学

学位级别：硕士

直立圆柱结构被广泛应用于开发海洋资源而设计和建造的海洋结构物中,波浪作用下圆柱表面的波浪爬升和波浪荷载一直被海洋工程界密切关注和研究。随着水深的逐渐增加,垂荡运动圆柱结构的波浪爬升由于其重心的竖向运动而需要分开考虑为绝... 详细信息

直立圆柱结构被广泛应用于开发海洋资源而设计和建造的海洋结构物中,波浪作用下圆柱表面的波浪爬升和波浪荷载一直被海洋工程界密切关注和研究。随着水深的逐渐增加,垂荡运动圆柱结构的波浪爬升由于其重心的竖向运动而需要分开考虑为绝对爬升高度和相对爬升高度,同时需要考虑波浪引起的非线性特征和垂荡运动的非线性。此外,此类问题还涉及到复杂的自由表面,采用传统的势流理论研究会在某些方面难以保证结果的准确性。基于上述背景,本文应用粘性流数值波浪水槽模型对规则波作用下垂荡运动圆柱的相对和绝对波浪爬升高度、波浪荷载随不同周期的变化以及垂荡和固定圆柱在波浪爬升和波浪荷载方面的差异进行数值计算研究。首先,基于开源软件Open FOAM,建立波浪与固定圆柱、垂荡运动圆柱相互作用的三维数值波浪水槽模型。以Navier-Stokes方程为控制方程,采用流体体积法进行自由表面的捕捉,采用速度边界法造波、松弛区法消波,使用多相流稳定湍流模型解决数值水槽波高衰减问题,使用六自由度运动求解器求解圆柱的运动方程。其次,将数值结果与理论结果和实验结果进行对比分析,对所建立的数值波浪水槽在模拟规则波与固定圆柱、垂荡运动圆柱相互作用方面的准确性进行全面验证。然后,应用数值模型对规则波作用下固定截断圆柱的波浪爬升和波浪荷载问题进行研究。模拟结果表明,吃水对固定圆柱波浪爬升高度影响较小,但对水平波浪力影响较大。通过与波浪爬升高度估算公式结果对比,分析不同估算公式预测固定截断圆柱爬升高度的准确性。通过流场分析,揭示固定截断圆柱在一个波周期内波浪衍射场的变化规律。最后,应用数值模型对规则波作用下垂荡运动圆柱的波浪爬升和波浪荷载问题进行研究。模拟结果表明,垂荡运动圆柱绝对爬升高度和固定圆柱爬升高度相差不大,都可以用估算公式获得良好的预测结果,但相对爬升高度相差很大。在短波时,相对爬升高度接近绝对爬升高度;在共振范围,相对爬升高度大于绝对爬升高度,最大可达入射波幅的5倍左右;在长波时,相对爬升高度小于绝对爬升高度,并且随着周期的增加而逐渐减小最后趋向于零。垂荡运动圆柱和固定截断圆柱的水平波浪力在低频时保持一致,在高频时出现差异,固定圆柱案例水平波浪力小于理论值,垂荡圆柱案例水平波浪力在小波陡时小于固定圆柱案例,大波陡时大于固定圆柱案例并接近于理论值。

关键词：波浪爬升垂荡运动圆柱固定截断圆柱波浪荷载 CFD模型

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