波浪作用下多體結構系統的窄縫水動力共振研究

《波浪作用下多體結構系統的窄縫水動力共振研究》是依託大連理工大學,由呂林擔任醒目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：波浪作用下多體結構系統的窄縫水動力共振研究
• 依託單位：大連理工大學
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：呂林

項目摘要

在海洋工程結構物進行聯合作業的過程中以及超大型海洋結構物的內部往往會存在一些狹窄的縫隙，在特定的入射波頻率下，縫隙內的流體會發生大幅振盪運動，同時結構單體上的波浪力也會產生顯著的變化，形成水動力共振現象。本項目將首先對正向與斜向、規則與不規則波浪作用下的窄縫水動力共振問題開展室內物理模型實驗研究，觀測水動力共振的發生條件以及相應的共振波高和波浪力；其次將建立和發展能夠準確計算縫隙內劇烈波高變化和結構物受力的遠場勢流-近場粘性流耦合的高精度三維數值波浪水池，並利用該模型在機群環境下開展大規模數值試驗工作；通過對模型實驗數據和高精度數值計算結果的全面總結與分析，揭示複雜波況下窄縫內流體共振的發生條件以及相應的共振波高和波浪力對入射波要素和結構系統特徵等的依賴關係；最後構建窄縫內流動阻尼的近似公式，並將其引入到勢流控制方程中，利用比例邊界有限元方法建立可滿足工程需要的快速三維近似勢流分析模式。

結題摘要

本項目針對波浪作用下毗連多浮體結構窄縫間的水動力共振問題開展研究，其中的關鍵科學問題是：傳統勢流理論在求解一些機械能損耗起重要作用的共振問題時，雖然可以準確獲得關於共振頻率的預測結果，但對於共振回響幅值往往給出過高的估計。其根本原因在於傳統勢流理論在流動無旋假設的基礎上，還忽略了流體的粘性，從根本上否定了考慮流動過程中的機械能損耗的可能性。本項目研究工作以具有代表性的窄縫流體共振問題為切入點，從理論分析、模型試驗和數值計算的不同角度開展工作。首先，針對具有狹窄縫隙的固定方箱結構開展了室內水槽實驗，給出了不同入射波頻率和入射波波高作用下，窄縫內流體共振回響幅值隨入射波頻率、縫隙寬度、吃水深度等的變化規律；對並聯船體模型開展了三維水池試驗，考慮了波浪入射角度、吃水深度的影響；建立和完善了基於Navier-Stokes方程的有限元數值求解、內源造波、阻尼消波和CLEAR-VOF自由表面捕捉技術的數值波浪水槽。經過與試驗資料的對比、驗證，表明該模型就有良好的計算精度，可準確模擬縫隙內的共振波高；提出和建立了在勢流模型自由表面邊界條件引入人工阻尼的數值模型，通過模型試驗數據和粘性流模擬結果對阻尼係數進行率定，可用於窄縫共振問題的快速分析；通過理論分析，結合振盪邊界層理論給出了阻尼係數的顯示解析表達式；從粘性流體能量方程的耗散率函式出發，對勢流自由表面阻尼項的物理意義進行了全新的解釋，通過數值計算手段在定量上證明了自由表面阻尼與流動過程中的機械能損耗的一致性。 在本項目的資助下，共發表學術研究論文篇18篇，其中項目負責人以第一作者和通訊作者在Physics of Fluids\ Applied Ocean Research\ Ocean Engineering\ Science China 等重要學術刊物上發表SCI檢索論文6篇，EI檢索論文13篇；獲得省部級二等獎1項（項目負責人排名第3）；獲得國家發明專利2項（項目負責人分別排名第1、第2）。