畸形波數(shù)值模擬及其對(duì)結(jié)構(gòu)物的作用.pdf

1、畸形波是一種具有大波高和強(qiáng)破壞性的波浪，由于其多次造成海上事故而受到人們關(guān)注。然而，由于畸形波出現(xiàn)的偶然性與短暫性，其實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有限，對(duì)于畸形波的研究目前仍不成熟。畸形波一般突然出現(xiàn)，沒有預(yù)兆，很難預(yù)測(cè)，存在時(shí)間較短，很快消失，可以產(chǎn)生于深水、淺水或有限水深區(qū)域，可以產(chǎn)生于風(fēng)暴中或一般天氣，可以產(chǎn)生于較強(qiáng)海流海域或無明顯海流海域。鑒于畸形波的特殊性及破壞性，研究畸形波的機(jī)理、模擬及其與結(jié)構(gòu)的相互作用具有重要的理論意義和工程實(shí)際意義。

2、>　　本文作為國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“畸形波的動(dòng)力學(xué)機(jī)理及其對(duì)深海平臺(tái)強(qiáng)非線性作用研究”的重要組成部分，旨在在現(xiàn)有畸形波研究成果的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步深入討論畸形波的動(dòng)力學(xué)機(jī)理，有效模擬不同類型的畸形波，研究畸形波與結(jié)構(gòu)的相互作用，提出能夠有效模擬具有瞬態(tài)沖擊及復(fù)雜自由液面流動(dòng)特點(diǎn)的畸形波與結(jié)構(gòu)流固耦合作用的方法。
　　本文對(duì)現(xiàn)有畸形波動(dòng)力學(xué)機(jī)理進(jìn)行討論，在現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，提出了基于概率的波列疊加模型和基于呼吸子解的二階非線性解，采用數(shù)

3、值波浪水槽模擬了不同類型的畸形波，并對(duì)其與結(jié)構(gòu)物（如圓柱和平板）的相互作用展開了深入研究。本文在研究過程中取得了豐碩的研究成果：在畸形波模擬模型、數(shù)值波浪水槽技術(shù)與畸形波上浪模型等方面對(duì)現(xiàn)有方法提出了有效的改進(jìn)；在畸形波流固耦合計(jì)算方面提出了新的算法。論文的主要研究工作如下：
　　(1)歸納總結(jié)了現(xiàn)有的畸形波動(dòng)力學(xué)機(jī)理模型，畸形波模擬方法以及畸形波與結(jié)構(gòu)物相互作用的研究，分析了現(xiàn)有模型與方法的優(yōu)點(diǎn)與不足，闡述了有待補(bǔ)充和完善的研究

4、內(nèi)容。
　　(2)基于N-S方程與VOF方法，采用Visual Basic語言構(gòu)建二維數(shù)值波浪水槽。采用速度邊界賦值（速度入口）的方式有效模擬畸形波，同時(shí)保留畸形波的非線性。
　　(3)從初始擾動(dòng)反演角度討論了畸形波的聚焦模型，并討論了具有Gauss包絡(luò)形態(tài)的畸形波的演化特征。
　　(4)傳統(tǒng)的動(dòng)量源法和松弛法消波簡(jiǎn)單方便，但消波系數(shù)為常數(shù)，對(duì)變化流場(chǎng)的適應(yīng)性較弱，且有時(shí)對(duì)大規(guī)模質(zhì)量遷移問題的消波效果欠佳。鑒于以上不足

5、之處，對(duì)傳統(tǒng)松弛法進(jìn)行改進(jìn)，引入隨時(shí)間變化的消波系數(shù)，提出了一種基于松弛法的守恒消波法。守恒消波法在消波區(qū)域設(shè)置質(zhì)量源匯，通過求解守恒方程動(dòng)態(tài)確定消波系數(shù)，適應(yīng)流場(chǎng)變化，在降低來波能量的基礎(chǔ)上，同時(shí)消除來波的多余質(zhì)量，減小消波區(qū)長(zhǎng)度，提高計(jì)算效率。
　　(5)傳統(tǒng)的波列疊加模型可以有效的模擬滿足定義的畸形波，因而在實(shí)驗(yàn)室和數(shù)值水槽中有著廣泛的應(yīng)用。然而，采用傳統(tǒng)方法，能量比例與組成波數(shù)目等參數(shù)往往憑經(jīng)驗(yàn)選取，當(dāng)匯聚波列能量比例較大

6、時(shí)，與真實(shí)海況不符，比例較小時(shí)，模擬效率較低。鑒于以上不足之處，考慮到非規(guī)則波浪場(chǎng)的隨機(jī)性本質(zhì)，本文在傳統(tǒng)方法的基礎(chǔ)上提出了一種基于概率的畸形波波列疊加模型。通過給出不同能量比例、不同組成波數(shù)目下的畸形波生成概率，實(shí)現(xiàn)合理高效地確定計(jì)算參數(shù)，同時(shí)盡可能的降低匯聚波列能量比例，增加與實(shí)際海況的符合程度。
　　(6)作為一種應(yīng)用廣泛的畸形波非線性動(dòng)力學(xué)模型，三階 Schr?dinger方程的Peregrine呼吸子解已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中成功

7、模擬。本文在數(shù)值水槽中模擬Peregrine呼吸子解，給出畸形波生存期和傳播距離的表達(dá)式，并給出且成功模擬了有限水深下基于Peregrine呼吸子解的畸形波Stokes二階波。
　　(7)利用數(shù)值波浪水槽研究了畸形波對(duì)剛性水平板的上浪現(xiàn)象，針對(duì)畸形波大波高和高能量的特點(diǎn)，考慮到畸形波在甲板上的繼續(xù)傳播以及潰壩延遲效應(yīng)等因素，改進(jìn)了傳統(tǒng)的潰壩模型Ritter解，提出了一種聯(lián)合波浪-潰壩模型。利用聯(lián)系波浪-潰壩模型，成功地預(yù)測(cè)了畸形波

8、上浪的甲板上水深，以及甲板上水體的截面速度。
　　(8)基于Gauss包絡(luò)形態(tài)，求解了畸形波對(duì)垂直圓柱體的繞射問題，給出了圓柱所受的波浪力和波浪彎矩，以及流場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)解。采用勢(shì)流頻域求解器對(duì)上述繞射問題進(jìn)行數(shù)值求解，并與理論解進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了理論公式的正確性。
　　(9)畸形波與結(jié)構(gòu)的相互作用往往包括瞬態(tài)的強(qiáng)沖擊載荷，以及復(fù)雜的自由液面流動(dòng)，如甲板上浪與砰擊現(xiàn)象。針對(duì)以上特點(diǎn)，受到勢(shì)流理論中附加阻尼概念的啟發(fā)，本文提出了一種基于