海洋结构物在二维聚焦波浪作用下的高频共振响应研究

摘要

在当今海洋开发中，海洋环境日益恶劣，要面对的波浪的非线性效应更加显著。Ringing现象是海上结构物在恶劣海况下产生的一种瞬态的高频共振响应，其频率远高于波浪的主导波频率，其振动幅度可达到包括一阶、二阶波浪力及风动力共同作用达到的幅度，因此对结构物的安全性有很大的威胁。非线性波浪的高频分量是诱发海洋结构物高频共振响应的重要因素。因此研究波浪与结构物的非线性相互作用有着重要意义。
　　本文基于势流理论建立了二维波浪与结构物相互作用的完全非线性数值波浪水槽模型。该模型应用高阶边界元方法(HOBEM)实现离散过程，采用混合欧拉-拉格朗日(MEL)法对自由水面及瞬时物体湿表面进行实时更新，运用四阶龙格-库塔法对自由水面条件和刚体运动方程进行数值积分，同时引入虚拟函数法间接计算物体受到的非线性波浪载荷。首先利用推板造波以及给定入射波两种方法生成规则波浪并与 Stokes波理论解进行对比，结果吻合良好。利用推板造波法生成了聚焦波浪，将本文结果与已发表论文结果以及实验结果进行了对比，结果吻合良好，验证了本文数值波浪水槽模型的正确性。从波浪非线性的角度对数值计算结果与理论解的差异进行了分析总结。其次利用完全非线性数值波浪水槽模型计算了波浪对固定物体的绕射作用以及波浪与自由漂浮物体的相互作用问题。并将计算得到的非线性波浪载荷各阶分量、波面变化、物体的运动等结果与已发表论文进行对比，结果吻合良好。同时对规则波作用下结构物的高频共振响应现象进行了研究，分析了入射波幅以及频率对 ringing的影响。最后研究了聚焦波浪下海洋结构物的高频共振响应（ringing）现象，研究了ringing现象的形成过程及特点，讨论了出现ringing现象的条件以及聚焦波浪幅值、谱峰频率对ringing现象的影响。

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第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 完全非线性波浪与结构物相互作用研究进展

1.3 海上结构物高频共振响应现象研究进展

1.4 本文研究工作

第2章 基本理论与数值模型

2.1 控制方程和边界条件

2.2.入射边界条件

2.3 边界积分方程求解

2.4 水动力载荷及运动方程求解

2.5网格更新过程

2.6 本章小结

第3章 完全非线性数值波浪水槽的建立

3.1 规则波在平底水槽内的传播

3.2 聚焦波在平底水槽内的传播

3.3 本章小结

第4章 规则波与浮体完全非线性相互作用研究

4.1 波浪对固定物体的绕射

4.2 波浪与浮体的完全非线性相互作用

4.3 浮体高频共振响应分析

4.4 本章小结

第5章 聚焦波作用下结构物的高频共振响应

5.1 计算模型设置及收敛性分析

5.2 横摇固有频率附近物体运动响应

5.3 聚焦波浪参数对高频共振响应现象的影响

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢