畸形波作用下柱狀結構物的波浪載荷及爬升問題研究.pdf

1、畸形波是一種海上極端波浪，近年來日漸引起人們的關注。畸形波往往具有突出的波峰、波峰波谷非對稱性以及發(fā)生的突然性等特征，能夠給船舶與海洋結構物帶來巨大的危害。畸形波發(fā)生的概率比較低，海上實測資料比較少，對于其研究工作并不深入。目前針對畸形波的研究主要集中在揭示其內在生成機理、發(fā)生概率預報等方面。考慮到畸形波的危害性，有必要針對畸形波與結構物相互作用展開研究。本論文將主要采用理論分析、數值模擬和物理水槽模型試驗相結合的方法，針對畸形波與簡單

2、柱狀結構物相互作用展開研究。
　　首先基于計算流體力學理論基礎，建立了數值波浪水池，分別采用了兩種造波方法：仿物理搖板造波和速度入口邊界造波，比較了兩種造波方法的優(yōu)缺點。為了減小波浪反射的影響，在動量方程中添加動量源項用來消波。介紹了網格尺度敏感性分析的方法以保證數值模擬的穩(wěn)定性。
　　在隨機波浪理論背景前提下，詳細介紹了畸形波的數學理論模型，包括線性聚焦波理論模型和非線性波浪理論模型。其中針對線性聚焦波理論模型，研究了不同

3、波浪譜能量分配對波浪統計特征的影響。對于非線性波浪理論模型，詳細闡述了三階薛定諤方程及其呼吸子解。
　　采用速度入口建立了二維數值波浪水池，模擬了規(guī)則波對水平圓柱垂向力問題，將該模型數值結果與已有的實驗和數值結果進行對比分析，證明了該數值模型的有效性。模擬聚焦波并詳細分析了聚焦波的水動力學特征，將其水質點水平速度與同等波幅高度、波浪周期的規(guī)則波畸形波對比，證明了同等波峰高度和谷谷周期的聚焦波的水質點水平速度明顯大于規(guī)則波。對比分析

4、了規(guī)則波與同等波幅值和谷谷周期聚焦波對水平固定圓柱的垂向波浪力，發(fā)現聚焦波作用下的波浪力出現了明顯的“二次峰值”現象。
　　建立了二維仿物理搖板造波數值波浪水池，提出了相位優(yōu)化方法，實現了海上實測“新年波”數值復演，研究了不同浸沒深度圓柱在“新年波”作用下的垂向力和水平力及流場特征。
　　為了研究底部固定的垂直圓柱在畸形波作用下的波浪爬升和波浪力問題，建立了三維數值波浪水池，分別進行了網格和時間步長敏感性分析。將畸形波作用下

5、的波浪力與Morison公式經驗結果進行對比分析，發(fā)現Morison經驗公式低估了波浪力的最大值。沿圓柱周圍布置浪高儀，測量不同方向處的波浪爬升，針對不同方向上波浪爬升時歷，進行傅里葉分析，發(fā)現靠近圓柱表面處波浪爬升時歷中高頻成分突出。圓柱周圍波浪爬升的最小值出現在圓柱后半部分與波浪傳播方向呈45°夾角方向上。
　　依托物理水槽，采用仿物理搖板造波模擬畸形波，并將實驗結果與數值模擬結果進行對比，利用粒子成像技術測量畸形波發(fā)生時的速