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二维聚焦波浪及其与直立圆柱作用的研究

作　者: 孙一艳
导　师: 柳淑学
学　校: 大连理工大学
专　业: 港口、海岸及近海工程
关键词: 聚焦波浪直立圆柱局部傅立叶级数模型双傅立叶级数模型水动力特性
分类号: TV139.2
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
下　载: 129次
引　用: 3次
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内容摘要

极限波浪是波浪的一种极限情况,具有很强的破坏作用,合理的估测海域内极限波浪的生成和发展成为越来越重要的任务。通过大量研究发现,波能聚焦是产生极限波浪的重要机理之一,因此采用聚焦波浪为实验室模拟真实海浪对建筑物的作用带来极大的方便。本文通过物理实验研究了聚焦波浪特性及其对直立圆柱式结构物的作用,同时数值分析了聚焦波浪的波面传播及其水动力特性等。本文首先给出了聚焦极限波浪的产生方法,即波能聚焦法。采用JONSWAP谱在二维水槽中生成不同参数下的聚焦波浪,研究了波浪在聚焦过程中波面及相应振幅谱的变化情况,同时应用波峰波谷聚焦波浪相加减的办法分析了谐波分量。结果表明,由于波浪之间的相互作用,导致低频和高频谐波分量的产生,聚焦前后,聚焦点处的主频、低频及高频能量没有明显的变化。波浪参数对聚焦波波面及其各阶谐波能量具有较大影响,尤其以输入波幅和谱峰频率的影响最明显。同时分析了波峰聚焦和波谷聚焦的区别和联系。随后,本文采用数值模拟的方法,对聚焦波浪及其水动力特性进行了分析研究。首先,在第三章中详细的介绍了局部傅立叶级数模型及其改进模型,在已知一点波面时间序列的基础上,将傅立叶级数在定义的时间窗口上展开,同时考虑运动自由表面边界条件和动力自由表面边界条件,用最小二乘法计算两种边界条件无因次化后的组合方程,直接计算得到此波面对应的水动力情况。改进后的模型计算窗口略大,可以同时包含更多时间点的影响。数值结果同理论Stokes波和聚焦波实验结果的比较证实了模型的有效性。第四章中,详细地介绍了第二种数值模型及其扩展模型,即双傅立叶级数模型。此数值模型在时间和空间上对傅立叶级数进行展开,在基于已知一点或几点波面时间序列的基础上,数值计算出空间波面及其水动力的传播情况。数值结果同理论Stokes波结果的吻合证明了改进模型的有效性,同时给出了相应参数的取值范围。随后,数值模拟结果同聚焦波实验数据的比较进一步证明了模型的适用性。数值模型不仅很好的模拟了空间波面的传播情况,同时较好的模拟了空间水动力特性尤其是速度场的分布情况,而且对于波陡较大的情况,模型亦可得到较好的计算结果。最后,在此基础上对双傅立叶级数模型进一步改进,使其可以计算考虑反射情况的波浪场,对于带有反射情况的理论波浪和聚焦波实验结果的模拟,证明了模型的适用性,并对所采用的参数给出了建议。鉴于扩展后的双傅立叶模型的准确性及有效性,在第五章中,应用此模型详细分析了聚焦波浪的空间波面特性以及聚焦波的水动力特性。研究表明,波浪参数如输入波幅,谱峰频率和频率范围对聚焦波浪的水平和垂直速度、空间速度场的分布以及动水压力分布有重要的影响。在第六章中,重点实验研究了聚焦波浪与直立圆柱之间的相互作用。将不同参数情况下的聚焦波浪作用在直立圆柱上,由于模型的存在导致聚焦点处波面及振幅谱变化较大,通过波峰波谷聚焦波浪相加减的方法分析可知,模型的存在导致各阶能量同时增大,而二阶能量的增大约为一阶能量增大程度的2倍左右。同时对不同波陡,不同相对柱径下聚焦点及圆柱周围各点的波浪涌高等情况进行了详细的分析,结果显示,波浪涌高随输入波幅、波陡及结构物相对尺度的增大而增大,圆柱周围不同受浪角度的涌高、波面和振幅谱变化趋势存在一定的差别。本章同时对聚焦波作用下直立圆柱所受点压力及正向总力的情况进行了详细的分析,并着重研究了点压力和正向总力的频率响应特性,研究表明,点压力及正向总力的时间过程线以及能量谱随波浪参数的变化趋势同聚焦波面的变化趋势相一致；圆柱上不同位置的点压力频率响应函数变化趋势略有不同,而正向总力的频率响应函数均随着频率的增大而增大。本章最后进一步对聚焦波浪作用下正向总力的高阶力进行了分析。本文通过物理实验和数值模拟两种方法,对二维聚焦波浪的波面、水动力特性以及聚焦波与直立圆柱作用导致的波浪涌高、圆柱点压力和正向总力等情况进行了详细的研究,得到一定的结论,对今后进一步研究聚焦波浪及其与结构物的作用奠定了基础。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
1 绪论  11-19
  1.1 研究背景及意义  11-12
  1.2 文献综述  12-18
    1.2.1 聚焦波浪的产生方法及特性  13-14
    1.2.2 聚焦波浪的实验研究  14-15
    1.2.3 聚焦波浪的数值研究  15-16
    1.2.4 聚焦波浪对直立圆柱作用的研究  16-18
  1.3 本文的主要工作  18-19
2 聚焦波波面特性的实验研究  19-39
  2.1 引言  19
  2.2 聚焦波产生方法及影响参数  19-21
  2.3 实验布置及实验条件  21-24
  2.4 聚焦波浪实验结果分析  24-38
    2.4.1 聚焦波浪的传播过程  24-27
    2.4.2 聚焦波浪的谐波分析  27-33
    2.4.3 聚焦波浪的非线性分析  33-38
  2.5 小结  38-39
3 局部傅立叶数值计算模型  39-51
  3.1 引言  39
  3.2 数值模型思想  39-42
    3.2.1 控制方程及边界条件  39-40
    3.2.2 求解方法  40-41
    3.2.3 未知数及初值  41-42
  3.3 数值模型的验证  42-50
    3.3.1 理论Stokes波的模拟  42-47
    3.3.2 聚焦波实验数据的模拟  47-50
  3.4 小结  50-51
4 双傅立叶数值计算模型  51-73
  4.1 引言  51
  4.2 数值模型的建立  51-55
    4.2.1 控制方程及边界条件  51-52
    4.2.2 求解方法  52-54
    4.2.3 初值条件  54
    4.2.4 自由表面边界条件  54-55
    4.2.5 参数的选择  55
  4.3 双傅立叶级数模型的扩展  55-64
    4.3.1 扩展模型的思想  55-56
    4.3.2 数值模型的验证  56-64
  4.4 考虑反射波浪的双傅立叶级数模型  64-72
    4.4.1 模型验证一:理论波浪  65-69
    4.4.2 模型验证二:聚焦波浪  69-72
  4.5 小结  72-73
5 聚焦波及其水动力特性的数值计算研究  73-82
  5.1 引言  73
  5.2 聚焦波空间波面特性  73-74
  5.3 聚焦波浪水动力特性  74-81
  5.4 小结  81-82
6 聚焦波浪与直立圆柱作用的实验研究  82-118
  6.1 引言  82
  6.2 模型放置后聚焦波形及能量变化  82-88
  6.3 圆柱周围波浪涌高分析  88-93
  6.4 圆柱周围压力分析  93-105
  6.5 圆柱正向总力分析  105-116
    6.5.1 正向总力及频率响应分析  105-112
    6.5.2 正向总力的高阶力分析  112-116
  6.6 小结  116-118
结论  118-121
参考文献  121-129
附录A 双傅立叶模型计算流程图  129-130
附录B 双傅立叶模型的方程组矩阵  130-131
攻读博士学位期间发表学术论文情况  131-132
创新点摘要  132-133
致谢  133-136

二维聚焦波浪及其与直立圆柱作用的研究

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