分類 號 密 級 編 號 中國科學院研究生院 碩士學位論文 分層流體中正向波與柱形結(jié)構(gòu)物的相互作用 馮 波 指導教師 鄭永紅 研究員 博士 中國科學院廣州能源研究所 申請 學位級別 碩士 學科專業(yè)名稱 流體機械及工程 論文提交日期 2007 年 6 月 論文答辯日期 2007 年 6 月 培養(yǎng)單 位 中國科學院廣州能源研究所 學位授予單位 中國科學院研究生院 答辯委員會主席 摘 要 i 摘 要 水波與結(jié)構(gòu)物相互作用的水動力學分 析是研究海洋結(jié)構(gòu)物在 波浪作用下的動態(tài)響應的理論基礎(chǔ)。本文通過簡化的二維模型近似模擬三維問題，采用解析和數(shù)值方法分別求解 實際的分層 海洋 流體中 正 向波與結(jié)構(gòu)物的相互作用。 本論文 分 以下幾個部分：第一章主要介紹了 研究 分層流中正 向波與結(jié)構(gòu)物的背景及現(xiàn)實意義，并對 正 向波與結(jié)構(gòu)物相互作用的研究現(xiàn)狀進行了總結(jié)。第二章應用解析方法 （ 多極子展開 ） 分析了相對簡單的 無限水深分層流體中正 向波與 單個水平淹沒 圓柱體 的相互作用， 隨后 在此基礎(chǔ)上 將問題延伸到多個 水平 淹沒圓柱體的情況 。 第三章 應用 數(shù)值模擬方法 （ 邊界元 ） 解決 分層流中 正 向波與結(jié)構(gòu)物作用的水動力學問題 。 第四章 重 點 分析了 多 個圓柱體和矩形結(jié)構(gòu) 體在 正 向波作用下的水動力學特性， 以及不同工況下正向波與幾種 不同 形狀浮體相互作用下的水動力學參數(shù)的變化規(guī)律 。最后 總結(jié)了主要理論成果及展望后續(xù)的研究工作。 本文將 多極子展開方法 應用于 求解分層流體中波浪與 水平圓柱結(jié)構(gòu)物的相互作用 , 研究 表明 作用在雙淹沒圓柱體上的波浪力大小跟圓柱體位于那層流體中有關(guān) ; 而對于淹沒四個圓柱體的情況 ，在低頻和高頻區(qū) 新增 兩個圓柱體對原先兩圓柱 波浪力 的影響比較小，而在中頻區(qū)影響卻非常明顯，對于透反射能量的影響則與圓柱體位于那層流體中以及 入射波的模態(tài)都有緊密的關(guān)系 。 在 采用 邊界元方法 研究分層流中 任意 形狀 截面浮體 的水動力學 特性 中 ，發(fā)現(xiàn) 相對寬度、淹沒深度以及兩層密度之比等幾何 或物理 參數(shù)的改變對 不同形狀浮體 的 波浪力都有很大的影響 ，而且兩矩形浮體所受波浪力隨著它們間距的增大而周期性的變化 ， 這些 新研究結(jié)果 對設(shè)計海洋結(jié)構(gòu)物具有重要的參考價值 。 關(guān)鍵詞 ： 正 向波；解析方法；數(shù)值方法 ；圓柱體；矩形結(jié)構(gòu)體 he on is of of In is to to of of in a of of on of in a , is a is by of an to an of is to of on of an of on in In of in a by of we on is by of of on of in in be of is of is to on of we on is of be on of 目 錄 I 目 錄 第 1 章 緒 論 . 1 引言 . 1 分層流體中正向波與結(jié)構(gòu)物相互作用的研究進展 . 1 國外的研究情況 . 2 內(nèi)的研究情況 . 3 本文的主要工作 . 5 第 2 章 分層流體中正向波與柱形體相互作用的解析方法 . 9 引言 . 9 單個柱形體的問題描述與數(shù)學模型 . 9 射問題的控制方程及邊界條件 . 11 射問題的控制方程及邊界條件 . 11 射勢和輻射勢的求解 . 12 沒柱形體的水動力學參數(shù)的計算 . 16 正向波與多個淹沒柱形體的相互作用 . 22 界條件和求解方法 . 22 浪力和水動力學系數(shù)的計算 . 27 結(jié)束語 . 29 第 3 章 分層流體中正向波與結(jié)構(gòu)物相互作用的邊界元方法 . 33 引言 . 33 問題描述和數(shù)學模型 . 33 數(shù)值方法 . 35 邊界積分方程與格林函數(shù)的選取 . 35 邊界積分方程的離散 . 36 水動力學參數(shù)的計算 . 37 波浪激勵力 . 37 水動力學系數(shù) . 38 目 錄 透反射系數(shù)和能量 . 38 方法驗證與結(jié)果分析 . 39 形截面浮體的計算結(jié)果 . 41 形截面浮體的計算結(jié)果 . 42 結(jié)束語 . 44 第 4章 計算結(jié)果分析 . 49 前言 . 49 計算結(jié)果的比較和分析 . 49 多個淹沒柱形體的計算結(jié)果分析 . 49 幾種不同形狀浮體的水 動力學結(jié)果 . 55 個淹沒矩形體的計算結(jié)果分析 . 60 主要結(jié)論 . 62 第 5 章 結(jié)論與展望 . 65 結(jié) 論 . 65 展 望 . 66 致 謝 . 67 碩士期間發(fā)表文章 . 68 作者簡介 . 69 第 1 章 緒 論 1 第 1 章 緒 論 引言 海洋波浪與 結(jié)構(gòu)物（ 如船舶、管道和波能裝置 等）的相互作用是海洋工程中的研究課題之一 。 研究水波與結(jié)構(gòu)物相互作用的理論結(jié)果為海洋交通（波浪與船舶）、海水養(yǎng)殖（波浪與網(wǎng)箱）、海洋能發(fā)電 （波浪與潮流能裝置、波能裝置）以及海岸保護（波浪與防波堤）等 110提供了理論依據(jù)，同時可以指導實驗研究以及驗證數(shù)值模擬方法的正確性和精度。 早 期 的研究大多是在海水密度均勻分布這一假定下進行， 然 而實際中 由于溫度和鹽度 的 影響，海洋中的流體呈明顯的密度分層 (層化 )現(xiàn)象，如我國的渤海、黃海、東海以及南海海域 ,都存在著明顯的海水垂直分層現(xiàn)象 11. 海水層化使海洋中的波動現(xiàn)象變得復雜起來，流體中將會有兩個模態(tài)的波 , 即表面波和內(nèi)波 對海洋結(jié)構(gòu)物的安全性可能造成嚴重威脅 在安得曼海的一個石油鉆井機 ,由于內(nèi)波的作用被推轉(zhuǎn)了 90 12； 1992年我國南海東部石油公司在東沙群島附近的石油鉆井機在內(nèi)波經(jīng)過時無法操作 ,錨定的油罐箱在不到 510 13. 因此 ,人們決不能輕視這些隱藏在水下的軒然大波（內(nèi)波）的威力 14. 分層流體中正向波與結(jié)構(gòu)物相互作用的研究進展 關(guān)于海洋內(nèi)波的研究， 早在上世紀 60 年代初， 5就研究了 分層 流體中的船行波問題，但分層流體中波浪與結(jié)構(gòu)物的作用問題直到上世紀 90年代，才引起國內(nèi)外學術(shù) 界的重視， 并 已取得了不少研究成果 其研究還正處于起步狀態(tài) , 還有大量基礎(chǔ)性 、機理性的研究工作需要進行 16. 縱觀學者關(guān)于 分層流體中正向波與結(jié)構(gòu)物相互作用的研究 ，主要采用的方法有理論分析、數(shù)值模擬、實驗模型測試 極子展開和最小平方近似方法等 ； 數(shù)值模擬方法中應用比較廣泛的是有限差分分層流體中正向波與柱形結(jié)構(gòu)物的相互作用 2 法、有限元法和邊界元法 年來較有影響的期刊收 錄的相關(guān)文獻，按照國內(nèi)外的研究情況分別簡述相關(guān)文獻內(nèi)容，重點是 近十幾年來的研究進展 . 國外的研究情況 國外 關(guān)于 分層流中正向波與結(jié)構(gòu)物相互作用的 研究 ， 早期 主要集中于圓柱體或球體結(jié)構(gòu)物在分層流體中的水動力學特性方面 。 在已有的研究工作中， 最早7研究了兩層流體中圓柱潛體對波浪的散射問題，結(jié)果表明波浪能量能夠從一種模態(tài)轉(zhuǎn)換到另一種模態(tài)； 18利用多極子展開 法 研究了無限水深條件下，單個無限長的水平圓柱體在兩層流體中對正向入射波的散射問題，發(fā)現(xiàn)當圓柱體置于上層流體中會出現(xiàn)波浪反射現(xiàn)象 ,這與無限深均勻流體中 無限長的水平圓柱 體 對波浪不會反射 19有著本質(zhì)差異 ；文獻 20中作者 采用同樣的方法研究了無限 深度 兩層流體中的三維球體結(jié)構(gòu)物對波浪的散射效應。 1研究了分層流體中內(nèi)波對淹沒運動圓柱的繞射問題 ，獲得了 波浪力等數(shù) 值結(jié)果 ； 22通過富里葉變化對于分層流體中震蕩圓柱受到的力學參數(shù)（附加質(zhì)量和阻尼衰減系 數(shù)）做了研究，發(fā)現(xiàn)分層效應對流體與物體的相互作用有著很大的影響（ 當垂向分層深度的減小，物體對內(nèi)波的輻射效應也隨之減小 ） ； 隨后文獻 23作者采用同樣的方法把問題延伸到三維球體的情形，發(fā)現(xiàn)此時的水動力學負載與二維問題情形有著本質(zhì)的不同，并且發(fā)現(xiàn)尤其在低頻的情況下，三維問題的阻尼衰減系數(shù)趨于零值，這與二維情形下趨于最大值有著很大的區(qū)別。 4對于交界面處存在振蕩圓柱的 有限水深 分層流情況進行了水動力學分析，作者采取混邊界元的辦法（物體附近的狹窄區(qū)域采用有限元，其他的外部區(qū)域采用邊界元），計算了 圓柱體的 附加質(zhì)量以及阻尼 衰減系數(shù) 等水動力學 特性 。 最近國外學者對于方體結(jié)構(gòu)和一些復雜形狀浮體采用數(shù)值方法做了很多方面的研究。 5基于面元法對箱形浮 體的水動作用力進行了數(shù)值分析 , 表明在某個頻率范圍內(nèi) , 流體的分層效應對浮式結(jié)構(gòu)物水動作用力的影響是不可忽視的 。 6采用邊界元 研究了分層流體中浮體的波浪力 ， 發(fā)現(xiàn)當下層密度較大時，密度比的變化 對浮體受到的 垂向力 及共振頻率有顯著影響， 且 兩層流體的 交界面位置對縱搖 、橫搖的影響比垂蕩的影響要明顯許多； 第 1 章 緒 論 3 采用同樣的方法， 7 、 28計算了浮體在兩層流體交界面處做小幅振蕩情況輻射問題的附加質(zhì)量和阻尼衰減系數(shù)； 9 推導 了置于 有限 水深 兩 層流 體 中 的物體與波浪作用的二維 復雜格林函數(shù)， 對于 同時淹沒在分層流 體 上 、 下層 的 物體的 輻射問題做了研究 ； 隨后 30又對文獻 29模型的波浪繞射問題做了研究，作者調(diào)查了兩層密度比和交界面位置變化對波浪激勵力的影響，并采用實驗方法進行了驗證。 31和 32研究了兩層流體中波浪與物體相互作用的俘獲波模式。 33采用最小平方近似方法研究了兩層流體中波浪與多孔滲水板的相互作用，并分析了不同物理參數(shù)變化對透反射系數(shù)、波浪負載以及滲水板響應的 影響； 34采用同樣的方法對于 兩層流體中多孔滲水板插到海底的情況做了研究，得到了兩層密度比和擋板參數(shù)等條件的變化對反射特性影響的結(jié)果。 35研究了分層流體水深變化情況下波浪與浮體的相互作用，通過一種近似的方法對于垂向水深的影響進行了分離，對于的波浪繞射問題進行了探討。 內(nèi)的研究情況 我國對分層流體中波浪與結(jié)構(gòu)物相互作用的研究也有了良好的開端。在解析方法求解方面，最早 吳建華 等 36采用 本征函數(shù)展開方法 研究了 層化流中的線性波浪繞射和散射理論， 計算了圓柱浮筒在 兩層海洋中 的附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)。結(jié)果表明，當振蕩頻率甚低時， 層化將對浮體的運動響應特性產(chǎn)生影響，當系泊浮體在密躍層上方時，這種影響是不可忽略的。 魏崗 37采用理論分析和實驗模擬相結(jié)合的方法研究了分層流體中運動潛體所產(chǎn)生的線性 孤立內(nèi)波以及代數(shù)孤立波，闡明了運動源致內(nèi)波的特定結(jié)構(gòu)及其對自由面產(chǎn)生的影響 ，隨后魏崗 等 38又 基于水波動力學勢流理論 ,采用 探討對合成孔徑雷達成像起重要作用的自由面輻散場的變化規(guī)律 。 尤云祥等 39基于分量變 量法，建立了平底有限水深條件下，兩層流體中插底圓柱形樁柱（樁柱由海底直伸出海面）的繞射問題的級數(shù)解，并對大直徑樁柱的表面波波浪力和內(nèi)波波浪力進行了計算，發(fā)現(xiàn)當波數(shù)較大（短波）時，圓柱體受到的總波浪力與單層流體的波浪力相比變化非常明顯；接著 尤云祥等 40在文獻 39的基礎(chǔ)上，又建立了插底圓柱體輻射問題的級數(shù)解，發(fā)現(xiàn)對插底分層流體中正向波與柱形結(jié)構(gòu)物的相互作用 4 圓柱體的繞射問題，當某一種模態(tài)的入射波遇到圓柱體時 , 只有該模態(tài)的繞射波存在 , 而對插底圓柱體的輻射問題 , 則兩種模態(tài)的輻射波將同時存在， 并研究了 兩層流體密度比和深度比的變化對兩種模態(tài)水 動作用力的影響 ；采用同樣的方法， 尤云祥等 41基于特征函數(shù)展開理論研究 了 兩層流體中表面波模態(tài)和內(nèi)波模態(tài)的波浪與半潛式剛性垂直薄板相互作用的問題 , 得到了 半潛式剛性垂直薄板的反射與透射能量的計算方法 ,證明了對每一種模態(tài)的入射波 ,另一種模態(tài)波浪的反射與透射能量是相等的 ，并 表明在某個頻率范圍內(nèi) ,流體的分層效應對這些水動力量的影響是不可忽視的 。 石強等 42研究了兩層流體中水波與水面漂浮矩形箱的相互作用問題 以及作用在其上的波浪力的解析計算方法 矩 形箱的底部位于兩層流體界面上時，兩種模態(tài)的能量轉(zhuǎn)化量是最大的，而且內(nèi)波模態(tài)波浪力的影響更顯著 。魏崗 等 43基于匹配漸近展開和格林函數(shù)的方法 ,研究了 兩層流體系統(tǒng)中內(nèi)孤立波在臺階地形上透射、反射及其分裂的演化特征 ,根據(jù)散射反演理論獲得了反射波和透射波的解析表達式 ， 并發(fā)現(xiàn) 上下流體層的厚度比、密度比以及臺階高度對于反射和透射波振幅及其分裂具有顯著的影響 ； 隨后他們 44又 采用邊緣層理論研究了兩層流體系統(tǒng)中內(nèi)孤立波在潛浮式豎直薄板上的透射和反射問題，分析了內(nèi)孤立波與薄板非線性相互作用的效應。 在數(shù)值計算方面， 早期 吳 建華 等 45利用格林公式 給出了在層化海洋中用格林函數(shù)表出的波浪繞射與散射波場中的擾動壓力振幅的積分解表達式，并采用出了相應的邊界積分方程，成功地將邊界元方法應用于層化海洋中的波浪繞射和散射問題的研究中來。 同樣利用邊界元法， 蔡澤偉 等 46計算了 層化流體中細長體受到的一階垂蕩波浪力和一階縱搖波浪力矩 ； 金跨鳳 等 47計算了兩層流體中球體在典型內(nèi)波作用下受到的一階垂蕩波浪力和一階縱搖力矩，發(fā)現(xiàn)界面低頻長波一階波浪力和力矩對潛體影響很小，短內(nèi)波卻產(chǎn)生較大的作用力；文獻 48作者基于 立了三維物體在有限水深兩層流體中運動的邊界積分方程，并數(shù)值模擬了運動球體生成的表面波和內(nèi)波問題； 朱偉 等 49研究了在兩層流體中定常運動的三維物體產(chǎn)生的內(nèi)波尾流場特性 ， 對定常運動三維球體產(chǎn)生的表面波和內(nèi)界面波進行了數(shù)值模擬 ,并與定常運動點源的結(jié)果進行了比較 。 蔡樹群 等 50通過引入 出了一種估算孤立子內(nèi)波對小直徑圓柱形樁柱作用力和力矩的方法，發(fā)現(xiàn) 孤立子第 1 章 緒 論 5 內(nèi)波對樁柱的作用力和力矩遠大于表面波的 ； 采用同樣的方法 文獻 51作者 對小尺度物體的內(nèi)波荷載問題進行分析和計算 在實驗研究方面 ,馬暉揚 等 52在靜水槽中進行了分層流體中運動物體 生成的內(nèi)重力波與自由面相互作用的實驗研究。分層介質(zhì)為水 鹽水兩種情形 ， 研究的重點是物體在密度突躍層附近運動時導致的自由面的特定變形，討論了物體的位置和運動速度等因素對變形形態(tài)的影響 ， 對密度突躍層本身的變形特征也作了描述。 本文的主要工作 本文的主要工作是研究 分層流體中正向波與柱形體相互作用 下 的 水動力學特性。 第二章主要采用解析方法討論正向波與 柱 形結(jié)構(gòu)物的相互作用，求解得到了不同工況下入射波作用下與 柱 形體相關(guān)的輻射和繞射問題，給出了水動力參數(shù)如波浪 激勵 力、附加質(zhì)量 和 阻尼 系數(shù)、 透反射系數(shù) 和能量 等的計算方法。 第三章主要利用邊界元方法求解正向水波與結(jié)構(gòu)物的相互作用，計算了正向波與圓柱體、正向波與矩形體等工況的相互作用水動力 結(jié)果 ，并將數(shù)值結(jié)果與相應的解析結(jié)果進行了對比。 第四章 給出了 分層流體中 多 個 圓柱型體和多 個 矩形體水動力學參數(shù)的 變化規(guī)律，以及不同工況下幾種不同形狀物體波浪力的計算結(jié)果，分析了各個物理量的 影響 規(guī)律，得出了一些有意義的結(jié)果。 第五章對本文工作進行了總結(jié)，并展望下一步的工作。 分層流體中正向波與柱形結(jié)構(gòu)物的相互作用 6 參 考 文 獻 1 梅強中 . 水波動力學 M. 戴世強，周顯初整 理 . 北京 : 科學出版社， 1984. 2 吳耀祖 . 水波動力學研究進展 J. 力學進展， 2001， 31(3): 3273 劉應中，繆國平 . 船舶在波浪上的運動理論 M. 上海 :上海交通大學出版社 ,1987. 4 李玉成，騰斌 . 波浪對海上建筑物的作用 M. （第二版） 北京 : 海洋出版社， 2002. 5 麥考密克 . 海洋波浪能轉(zhuǎn)換 M. 許適譯 . 第一版 北京 : 海洋出版社， 1985. 6 ., of in . 1997, 19: 1417 et on . 2002, 16(1): 1418 ., ., et 2002, 6: 4059 et of . 2003, 17(1): 10110 謝世楞 . 90 年代我國防波堤設(shè)計進展 J. 水運工程， 1999, 309(10): 1111 杜 濤 , 吳 巍 , 方欣華 . 海洋內(nèi)波的產(chǎn)生與分布 2001,25(4):2512 L. in 1980, 208：45113 C., A., C, et on in ea an . 1 . 1991. 16514 李家春 . 水面下的波浪 J. 力學與實踐 , 2005, 27(2): 115 in a . 1961, 11, 22916 尤云祥 , 石 強 , 繆國平 . 兩層流體中大直徑圓柱體的水動作用力 J. 上海交通大學學報 , 2005, 39(5): 69517 of on a . 1993, 2: 30- 45. 18 M. of in . 1995, 304: 21319 R. On of by a . 1948, 44: 48320 in . 2000, 423: 155第 1 章 緒 論 7 21 of by a at in a . 1998, 34(3): 24922 ., . on a in a . . 2002, 451(1): 42123 ., . on a in a . . 2003, 494: 3324 of a at in a of . 2005, 40(2): 27325 T. of in a . of 2. D. C., 1999, 875- 887. 26 M. of a in a 2. 2005, 15 (3): 175 27 of a of a of . 2003, 44(4): 516 28 in a by of a . 2002, 37(4): 60029 I., M. of a in a of . J. 2004, 9 (3): 12730 M., I ., M. of a in a of . J. 2005, 11(3): 150 31 C. M., J. R. in a . 2003, 481: 215 32 N., P., P. in a . 2003, 490, 32133 P. T. a in a . 2006, 132(9): 1007 34 S., . by in a . 2005) 2005, 3: 57235 D. in a of . 2005, 524: 20736 吳建華 , 吳秀恒 , 李世謨 . 大尺度物體在層化海洋中的波浪繞射和散射理 (