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海洋工程水池中强非线性波浪数值与试验研究

作　者: 彭涛
导　师: 杨建民；汪学锋
学　校: 上海交通大学
专　业: 船舶与海洋工程
关键词: 海洋工程试验海洋环境模拟强非线性波浪数值海洋工程水池
分类号: TB126
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 237次
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内容摘要

畸形波(Freak Wave)是近年来为人们所观测到的一种瞬时出现的巨浪,其波高达本海域有义波高的两倍以上,具有强非线性波浪的特征。由于畸形波对于海洋工程结构物具有极大的破坏性,因此随着海洋石油开发向深海迈进,畸形波这一强非线性波浪的危害已不可忽视。为发展深海海洋工程模型试验中的海洋环境模拟技术,需要在海洋工程水池中进行畸形波这一强非线性波浪的模拟研究。本文主要是利用数值方法分析了在海洋工程水池中模拟畸形波的方法,并通过试验加以验证,从而在海洋工程试验中模拟这种复杂海洋环境。首先分析了实际海洋工程水池中对波浪主要影响的因素。在此基础上建立了海洋工程水池的数值模型,将实际水池中的造波、消波、进流和出流等各种功能区域在数值模型中进行了模拟,从而更加准确地模拟了水池的实际特性。通过自编程序控制造波和消波在水池中模拟了规则波,并分析了波浪在水池中的传播和变化,以及水池各部分对波浪的影响。采用模拟瞬间波的方法在海洋工程水池中模拟畸形波,并对瞬间波在水池中的传播和变形进行了计算。最终通过不规则波和瞬间波的叠加实现了海洋工程水池内畸形波的模拟,得到了较好的结果。海洋环境中波浪和流的耦合影响不可忽视,而海洋工程水池内的流场比较复杂,因此在流场中能否模拟畸形波需要分析流对波浪的影响。首先在数值水池中模拟了水池的流场,分析了流场细部特征和有可能使波浪产生变形的区域。在流场环境下对规则波和瞬间波进行了计算和分析。数值模拟结果表明,在海洋工程水池的流场中可以模拟畸形波,但出现的位置与均匀流作用下波浪传播的理论值有差异。在数值模拟基础上,通过编制程序控制造波机的运动在海洋工程水池中成功模拟了瞬间波和畸形波,得到了满意的结果。通过数值计算和物理实验表明,通过瞬间波方法模拟畸形波是可行的。而数值海洋工程水池可为海洋结构物模型试验的复杂海洋环境模拟工作提供一个数值计算平台,对于模型试验有很好的指导意义。其计算结果可以指导物理试验的发展,优化试验技术,并评估各种海洋环境模拟的方法。因此这种数值方法具有广阔的应用前景。

全文目录

摘要  6-8
ABSTRACT  8-12
第一章绪论  12-34
  1.1 引言  12-13
  1.2 海洋工程试验技术的发展  13-18
    1.2.1 世界的海洋工程水池  13-16
    1.2.2 中国的海洋工程水池  16-18
  1.3 海洋环境的模拟  18-21
    1.3.1 波浪  19-20
    1.3.2 其他海洋环境  20-21
  1.4 波浪理论  21-32
    1.4.1 线形波浪  22-26
    1.4.2 非线性波浪  26-29
    1.4.3 强非线性波浪  29-32
  1.5 本文主要内容  32-34
第二章数值海洋工程水池的建立  34-50
  2.1 计算流体力学基础  35-36
  2.2 数值海洋工程水池的建立  36-42
    2.2.1 海洋工程水池分析  37
    2.2.2 建立数值海洋工程水池  37-39
    2.2.3 功能区域的处理  39-42
  2.3 算法的选择  42-48
    2.3.1 控制方程  42-45
    2.3.2 瞬态问题  45-47
    2.3.3 多相流模型  47-48
  2.4 结论  48-50
第三章波浪的数值模拟  50-71
  3.1 规则波的数值模拟  50-58
    3.1.1 边界条件及求解  51-52
    3.1.2 计算结果与分析  52-58
  3.2 畸形波的数值模拟  58-65
    3.2.1 理论基础  58-61
    3.2.2 实验室模拟方法  61-63
    3.2.3 计算结果与分析  63-65
  3.3 不规则波中畸形波的数值模拟  65-70
    3.3.1 不规则波模拟  65-67
    3.3.2 不规则波中畸形波的模拟  67-70
  3.4 结论  70-71
第四章波浪与流的耦合模拟  71-89
  4.1 流与波浪耦合的理论  71-74
  4.2 流场的数值计算分析  74-79
  4.3 流场中的规则波的数值计算分析  79-83
    4.3.1 边界条件及求解  80
    4.3.2 计算结果与分析  80-83
  4.4 流场中畸形波的模拟分析  83-88
    4.4.1 边界条件及求解  83-84
    4.4.2 计算结果与分析  84-88
  4.5 结论  88-89
第五章物理模型试验  89-98
  5.1 试验概述  89-92
    5.1.1 试验设备  90-91
    5.1.2 试验相似法则  91-92
    5.1.3 坐标系确定  92
    5.1.4 编制程序  92
  5.2 试验过程  92-97
  5.3 结论  97-98
第六章结论及展望  98-100
参考文献  100-103
附录  103-105
致谢  105-106
攻读硕士学位期间发表的学术论文  106-107
上海交通大学学位论文答辩决议书  107

海洋工程水池中强非线性波浪数值与试验研究

内容摘要

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