極值波浪和水流混合與海洋結構物作用的模擬研究

《極值波浪和水流混合與海洋結構物作用的模擬研究》是依託大連理工大學,由寧德志擔任醒目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：極值波浪和水流混合與海洋結構物作用的模擬研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：寧德志

項目摘要

在複雜的海洋環境內，船舶等海洋結構物會遭遇到突然出現的極值波浪和海流混合作用而引起傾覆乃至破壞。本研究將套用完全非線性水波理論建立極值波浪和水流混合與海洋結構物作用的數學模型，採用基於域內源造波技術的快速多極子高階邊界元方法求解邊界積分方程，運用非線性有限元動力分析方法對系泊浮體的系泊纜索進行建模和分析。通過實時模擬水流作用下極值波浪的演化過程和極值波浪與水流混合對海洋結構物的動力作用過程，研究水流影響下的極值波浪的波群包絡形狀、波頻間的調製關係以及內部運動過程和水動力學機理，研究極值波、流作用下的結構荷載和非線性運動回響，並給出系泊系統受力。在海岸和近海工程國家重點實驗室內開展極值波浪和水流混合作用的模型試驗，研究水流流速和流向對極值波浪非線性特性、結構物的極值波浪荷載和非線性運動回響的影響規律，與數值結果相互驗證。項目成果將有助於對複雜海洋環境的深入了解，為工程結構安全性設計提供參考。

結題摘要

在真實海域，波流往往是共存的，在某些情況下還會有極值波浪出現，研究水流對極值波浪特性影響和極值波浪與水流混合對工程結構作用具有重要意義。本研究基於時域高階邊界元方法，並套用水波勢流理論，建立了模擬波流混合作用的完全非線性數值波浪模型，造波實現了域內源造波和推板造波，並結合布置在造波邊界附近的阻尼層可實現長時間模擬，採用加速度勢方法來計算波流荷載，對於浮體的系泊纜索，採用基於細長桿理論的有限元方法進行求解。通過與開展模型試驗的數據及已發表結果的對比，對所建模型進行了驗證。研究了均勻流對規則波、雙色波、聚焦波非線性特性影響及波流混合對工程結構的相互作用。在淹沒潛體誘發的共振諧波與水流相互作用中發現，順流中反射係數增大逆流中反射係數減小，一階反射共振諧波對應的結構特徵長度不受水流影響；堤後基頻波和高階自由波之間能量交換會被順流加強逆流減弱，二階透射共振諧波對應的結構特徵長度隨著流速的增大而增長。聚焦波在順流作用下會減弱能量從基頻向高頻轉移，極值波峰會減小，聚焦位置會向下游偏移，聚焦時刻會滯後，逆流情況下反之。但是對於強逆流，會阻塞部分高頻波浪不能傳播到聚焦位置，導致聚焦波峰的降低。波浪的聚焦和解焦過程在淨水、順流和弱逆流作用下都是可逆的，但是強逆流作用下就是非可逆的了。當波頻率為浮式結構物垂向自振頻率的三倍時，會發生高頻共振回響，水流對運動回響影響不大。聚焦波作用在結構上的荷載和爬高會受結構擺放的位置影響，在聚焦位置達到最大，並沿著這點在空間呈對稱性分布，由於二階差頻項貢獻性質不同，導致波浪爬高隨著非線性增強而增大，而荷載則相反；隨著水流的引入及其速度的增大，爬高和荷載都會增大，但在某一臨界速度會達到峰值。研究成果已經在國內外期刊和學術會議上發表學術論文31篇，其中被SCI收錄10篇。