近岛礁连岸浮式栈桥在波浪中的运动响应研究

摘要

连岸浮式栈桥是目前国内外海洋工程领域研究的一个热点问题。对于浮式结构物的运动响应，许多学者已经进行了多年的研究，但是考虑岛礁海洋和地形环境，分析近岛礁浮式结构物运动响应的研究成果却很少。当波浪从深远海传播到岛礁附近时，由于其复杂的地形地貌，波浪将发生折射、绕射和反射等一系列变化，使浮式栈桥中浮体与浮体之间相互扰动中的作用力更为复杂，因此对连岸浮式栈桥在真实海底下的运动响应研究十分重要。
　　本文对连岸浮式栈桥在真实海底下的运动响应进行研究，应用基于三维势流理论的AQWA软件开展浮式栈桥的数值模拟计算，并与水池试验结果进行对比分析。论文的具体工作与主要研究成果如下：
　　（1）考虑真实海底地形对于单浮体以及多浮体结构的影响，并建立相关计算模型。
　　（2）介绍了本文研究中所应用的计算原理，包括三维势流理论、势流水动力计算分析理论、结构物在规则波下的运动响应、频域运动方程以及时域运动方程等。利用格林函数可以求得浮体所处流场中的速度势，从而可以进一步计算出该浮体所受的波浪力以及水动力系数，通过时域分析方法得到结构物的运动方程。同时，推导出多浮体之间的入射、绕射、辐射等相关参数。
　　（3）基于AQWA软件的LINE模块对单浮箱浮式栈桥的水动力性能进行计算，得到频域下水动力参数变化规律；基于AQWA软件的NAUT模块对单浮箱浮式栈桥带缆的运动响应进行计算，并将数值模拟结果与水池试验结果进行比较。结果表明：岛礁地形对无系泊系统的单体浮式栈桥的水动力参数都有一定的影响，数值模拟与试验结果在入射波浪方向上吻合度较好，而垂向方向上存在一定差异。浮桥在不规则波中的运动与其固有周期关联很大。
　　（4）对多浮箱浮式栈桥的水动力性能进行计算，得到频域下水动力参数变化规律；对多浮箱浮式栈桥带缆的运动响应进行计算，并将数值模拟结果与水池试验结果进行比较。结果表明：由于岛礁影响使得各多体间摇荡而引起的辐射波在各桥节之间传递并不均衡，同时使一阶波浪力传递函数出现了显著的浅水效应，而二阶波浪力传递函数受到的影响并不显著。系泊模式下三浮箱、七浮箱浮式栈桥的数值计算结果与模型试验值总体变化趋势吻合度良好。不规则波影响下，水深的变浅对浮桥垂荡运动的影响十分明显。
　　（5）开展了浮式栈桥单桥节及多桥节在深水、岛礁浅水中的频域计算分析，进一步分析了水深因素对单桥节、多桥节水动力参数的影响。计算结果表明：岛礁地形下，水深对单浮箱附加质量的影响主要体现在纵荡、横荡、垂荡、横摇及纵摇5个自由度上，对艏摇方向的影响较小；而水深对多浮箱附加质量的影响主要体现在横荡、垂荡、纵摇3个自由度上，对纵荡、横摇和艏摇方向的影响较小。深、浅水不同水深对单浮箱、多浮箱浮式栈桥六个自由度幅值响应算子RAO有显著影响。
　　（6）以浮式栈桥的横摇为主要目标，综合考虑横荡及垂荡对浮式栈桥提出改型方案，并与原型进行对比分析，对近岸浮式栈桥进行改良方案设定，通过计算得到运动响应优良的栈桥改型方案。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文研究的主要内容

1.4 本章小结

第2章 数值模拟基本理论

2.1 基本假设

2.2 三维势流理论

2.3 势流水动力计算分析理论

2.4 结构物在规则波下的运动响应

2.5 频域方程

2.6 时域运动方程

2.7 本章小结

第3章 近岛礁单一桥节水动力性能的影响及试验对比分析

3.1 引言

3.2 岛礁地形影响下单一桥节水动力特性对比分析

3.3 岛礁地形影响下单一桥节运动响应与试验结果对比分析

3.4 本章小结

第4章 岛礁对多体浮式栈桥水动力性能的影响及试验对比分析

4.1 引言

4.2 三浮箱浮式栈桥水动力性能分析

4.3 三浮箱浮桥各桥节运动响应与试验结果对比分析

4.4 七浮箱浮桥各桥节间相互作用对浮式栈桥的水动力参数的影响

4.5 七浮箱浮桥各桥节运动响应与试验结果对比分析

4.6 本章小结

第5章 浮式栈桥在深水、岛礁浅水不同条件下的对比分析

5.1 引言

5.2 单浮箱浮桥在深水、岛礁浅水中水动力参数的比较

5.3 多体浮桥在深水、岛礁浅水中水动力参数的比较

5.4 本章小结

第6章 浮式栈桥方案改型及性能初步分析

6.1 引言

6.2 浮式栈桥改型方案的依据

6.3 浮式栈桥改型方案的确定

6.4 浮式栈桥改型运动响应对比分析

6.5 本章小结

第7章 总结与展望

7.1 本文总结

7.2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及学术成果

致谢