圓柱繞流研究現(xiàn)國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)綜述1.1數(shù)值波浪水池研究現(xiàn)狀上世紀(jì)七八十年代，為了驗(yàn)證F117戰(zhàn)斗機(jī)的各項(xiàng)性能，美國(guó)對(duì)其進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)，在研究戰(zhàn)斗機(jī)的空氣動(dòng)力學(xué)性能的研究時(shí)，采用了數(shù)值風(fēng)洞的數(shù)值分析方法。通過(guò)數(shù)值分析法，極大地縮短了試驗(yàn)的周期，并且節(jié)省了大兩人力、物力、財(cái)力。這個(gè)事件充分的說(shuō)明了數(shù)值技術(shù)在實(shí)際工程問(wèn)題領(lǐng)域有用武之地，并且大有可為。如今，計(jì)算機(jī)的硬件、軟件以及可視化技術(shù)得到了飛速發(fā)展，各種數(shù)值技術(shù)和方法日漸成熟完善。在流體力學(xué)以及船舶與海洋工程領(lǐng)域，依托于計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)，出現(xiàn)了數(shù)值波浪水池的概念。使用數(shù)值水池技術(shù)，可以對(duì)很多問(wèn)題進(jìn)行深入透徹的分析和研究，包括：船舶耐波性和操縱性、海洋平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)和載荷、渦激振蕩等?？梢哉f(shuō)，數(shù)值波浪水池的出現(xiàn)，大大推動(dòng)了海洋工程的進(jìn)步和發(fā)展。數(shù)值水池的建立，離不開真實(shí)的物理水池，然而，數(shù)值水池卻有著物理水池?zé)o法媲美的優(yōu)點(diǎn)，一方面，使用數(shù)值水池不受場(chǎng)地大小的限制，而且計(jì)算成本較低，另一方面，可以根據(jù)不同的需要，通過(guò)改變參數(shù)或者設(shè)置，選擇不同的工況，實(shí)現(xiàn)方案的各種優(yōu)化[陳遠(yuǎn)超基于CFD的船舶數(shù)值水池研究[D].中國(guó)艦船研究院.2016.]。陳遠(yuǎn)超基于CFD的船舶數(shù)值水池研究[D].中國(guó)艦船研究院.2016.Longuet-Higgins（1976）[Longuet-HigginsMS,CokeletED.Thedeformationofsteepsurfacewavesonwater.I.Anumericalmethodofcomputation[C].ProceedingsoftheRoyalSocietyofLondonA:Mathematical,PhysicalandEngineeringSciences.TheRoyalSociety,1976,350(1660):1-26.]使用邊界積分法以及歐拉-拉格朗提方法，成功模擬出了卷波破碎，并對(duì)其進(jìn)行了分析和研究。受到海綿和沙灘吸波現(xiàn)象的啟發(fā)，Baker等（1981）[BakerGR,MeironDI,OrszagSA.Applicationofageneralizedvortexmethodtononlinearfreesurfaceflows[C].Proc.ofthe3rdInt.Conf.onNumericalShipHydrodinamics,Paris.1981:179-191.]首次提出了阻尼消波的方法，該方法是通過(guò)在自由面的邊界上增添一項(xiàng)阻尼粘性項(xiàng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)消波。Vinje等（1981）[VinjeT.BrevigP.Nonlinearshipmotions[C].Proc.3rd.Int.Conf.onNumericalShipHydrodynamics,1981,IV3-1-IV3-10.]將模態(tài)法運(yùn)用到二維數(shù)值水池中，通過(guò)這個(gè)改動(dòng)，通過(guò)使用數(shù)值水池技術(shù)，可以對(duì)浮體進(jìn)行水動(dòng)力性能分析。金紅、鄒志利（2008）[JinHong,ZouZhili.HyperbolicMildSlopeEquationswithInclusionofAmplitudeDispersionEffect:RegularWaves[J].ChinaOceanEngineering,2008(03):431-444.]開發(fā)出了新的二維波浪的方程，并通過(guò)后續(xù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，新方程在非線性上與三階模擬不規(guī)則波相似。嚴(yán)斌等（2013）[嚴(yán)斌，林紅星，寧德志.波浪對(duì)淹沒(méi)水平圓柱作用的非線性數(shù)值模擬[J].海洋科學(xué)進(jìn)準(zhǔn).2013，31(03).319-325]為了研究海浪對(duì)水平圓柱的非線性作用，將復(fù)雜的波浪分割成數(shù)個(gè)小型波浪，并建立了相應(yīng)的數(shù)值模型。房克照等（2014）[房克照，王磊，劉忠波，等.基于MUSTA格式的全非線性Boussinesq波浪傳播數(shù)值模型[J].力學(xué)學(xué)報(bào),2014，46(05).647-654.]將有限體積法和有線差分法結(jié)合起來(lái)，使用該求解格式求解了二維全非線性水波方程，建立了全非線性數(shù)值模型。張德賀等（2015）[張德賀.強(qiáng)非線性波浪的數(shù)值模擬[A].《水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展》編委會(huì)、中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)、中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)、河海大學(xué).第二十七屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)文集（上冊(cè)）[C].《水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展》編委會(huì)、中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)、中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)、河海大學(xué):上?！端畡?dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展》雜志社,2015:6.]使用CIP方法建立了二維粘性數(shù)值水槽，在此基礎(chǔ)上，模擬了多種類型的波浪。寧德志等（2017）[寧德志,蘇曉杰,滕斌.波浪與帶有窄縫結(jié)構(gòu)作用的非線性數(shù)值模擬[J].船舶力學(xué),2017，21(02).143-151.]使為了研究粘性耗散問(wèn)題，用源函數(shù)造波法建立了二維數(shù)值水槽，對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行了深入研究。李翔等（2018）[李翔,寧德志.長(zhǎng)波波列傳播特性的模擬研究[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展(A輯),2018,33(06):714-719]建立了數(shù)值水池模型，重點(diǎn)研究并分析了長(zhǎng)波在播過(guò)程中的變形問(wèn)題。Longuet-HigginsMS,CokeletED.Thedeformationofsteepsurfacewavesonwater.I.Anumericalmethodofcomputation[C].ProceedingsoftheRoyalSocietyofLondonA:Mathematical,PhysicalandEngineeringSciences.TheRoyalSociety,1976,350(1660):1-26.BakerGR,MeironDI,OrszagSA.Applicationofageneralizedvortexmethodtononlinearfreesurfaceflows[C].Proc.ofthe3rdInt.Conf.onNumericalShipHydrodinamics,Paris.1981:179-191.VinjeT.BrevigP.Nonlinearshipmotions[C].Proc.3rd.Int.Conf.onNumericalShipHydrodynamics,1981,IV3-1-IV3-10.JinHong,ZouZhili.HyperbolicMildSlopeEquationswithInclusionofAmplitudeDispersionEffect:RegularWaves[J].ChinaOceanEngineering,2008(03):431-444.嚴(yán)斌，林紅星，寧德志.波浪對(duì)淹沒(méi)水平圓柱作用的非線性數(shù)值模擬[J].海洋科學(xué)進(jìn)準(zhǔn).2013，31(03).319-325房克照，王磊，劉忠波，等.基于MUSTA格式的全非線性Boussinesq波浪傳播數(shù)值模型[J].力學(xué)學(xué)報(bào),2014，46(05).647-654.張德賀.強(qiáng)非線性波浪的數(shù)值模擬[A].《水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展》編委會(huì)、中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)、中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)、河海大學(xué).第二十七屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì)文集（上冊(cè)）[C].《水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展》編委會(huì)、中國(guó)力學(xué)學(xué)會(huì)、中國(guó)造船工程學(xué)會(huì)、河海大學(xué):上?！端畡?dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展》雜志社,2015:6.寧德志,蘇曉杰,滕斌.波浪與帶有窄縫結(jié)構(gòu)作用的非線性數(shù)值模擬[J].船舶力學(xué),2017，21(02).143-151.李翔,寧德志.長(zhǎng)波波列傳播特性的模擬研究[J].水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展(A輯),2018,33(06):714-719Dommeruth（1987）為了模擬出三維數(shù)值水池的立體效果，利用邊界元方法，研究了由水泡導(dǎo)致的三維效果。Bai（2006、2007、2009）[BaiW,EatockTaylorR.Higher-orderboundaryelementsimulationoffullynonlinearwaveradiationbyoscillatingverticalcylinders[J].AppliedOceanResearch,2006,28:247-265.][BaiW,EatockTaylorR.Numericalsimulationoffullynonlinearregularandfocusedwavediffractionaroundaverticalcylinderusingdomaindecomposition[J].AppliedOceanResearch,2007,29:55-71.][BaIW,EatockTaylorR.Fullynonlinearsimulationofwaveinteractionwithfixedandfloatingflaresstructures[J].OceanEngineering,2009,36:223-236.]模擬了物理水池中造波板生成波浪的原理，分別模擬了完全非線性規(guī)則波對(duì)半潛式圓柱體以及固定、漂浮狀態(tài)的結(jié)構(gòu)物的作用過(guò)程，并研究了相關(guān)的水動(dòng)力性能問(wèn)題。Sulisz和Paprota（2008）[WSulisz,MPaprota.Generationandpropagationoftransientnonlinearwavesinawaveflume[J].EoastalEngineering,2008,55:277-287]通過(guò)相關(guān)的研究，發(fā)現(xiàn)弱非線性理論只適用于低波陡的情況。李金宣等（2008）[李金宣，柳淑學(xué)，HONGKey-yong.非線性波浪的數(shù)值模擬[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008，(03).430-435.]在三維數(shù)值水池中模擬生成五階Stokes波，重點(diǎn)分析研究了箱體內(nèi)液體的運(yùn)動(dòng)。陳勇等（2015）[陳勇.近岸波浪演變的數(shù)值模擬[A].中國(guó)海洋工程學(xué)會(huì).第十七屆中國(guó)海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集（上）[C].中國(guó)海洋工程學(xué)會(huì):中國(guó)海洋學(xué)會(huì)海洋工程分會(huì),2015:5]使用CIP方法，建立了兩相流的模型，對(duì)孤立波在海岸地形上的傳播和演化進(jìn)行了研究。之后，吳昕煒等（2018）[昕煒,劉文白,劉特成.波浪在近岸水域傳播變形特性數(shù)值模擬研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2018,18(33):126-131]也研究了類似的問(wèn)題，并重點(diǎn)探討了波長(zhǎng)、摩擦阻力等因素等波浪演化BaiW,EatockTaylorR.Higher-orderboundaryelementsimulationoffullynonlinearwaveradiationbyoscillatingverticalcylinders[J].AppliedOceanResearch,2006,28:247-265.BaiW,EatockTaylorR.Numericalsimulationoffullynonlinearregularandfocusedwavediffractionaroundaverticalcylinderusingdomaindecomposition[J].AppliedOceanResearch,2007,29:55-71.BaIW,EatockTaylorR.Fullynonlinearsimulationofwaveinteractionwithfixedandfloatingflaresstructures[J].OceanEngineering,2009,36:223-236.WSulisz,MPaprota.Generationandpropagationoftransientnonlinearwavesinawaveflume[J].EoastalEngineering,2008,55:277-287李金宣，柳淑學(xué)，HONGKey-yong.非線性波浪的數(shù)值模擬[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2008，(03).430-435.陳勇.近岸波浪演變的數(shù)值模擬[A].中國(guó)海洋工程學(xué)會(huì).第十七屆中國(guó)海洋（岸）工程學(xué)術(shù)討論會(huì)論文集（上）[C].中國(guó)海洋工程學(xué)會(huì):中國(guó)海洋學(xué)會(huì)海洋工程分會(huì),2015:5昕煒,劉文白,劉特成.波浪在近岸水域傳播變形特性數(shù)值模擬研究[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2018,18(33):126-1311.2波浪和結(jié)構(gòu)物相互作用研究現(xiàn)狀隨著我國(guó)海洋強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略目標(biāo)的提出和推進(jìn)，大量功能不盡相同的海洋工程結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)在了我國(guó)領(lǐng)海海域，并投入使用。圖1.1（a）中，給出了各式各樣的海洋平臺(tái)，主要包括FPSO平臺(tái)和半潛式海洋平臺(tái)。在海洋中，這些海洋結(jié)構(gòu)物會(huì)面對(duì)著風(fēng)、浪、流等外部環(huán)境的聯(lián)合作用，如圖1.1（b）所示，一座半潛式平臺(tái)正在遭受海浪的沖擊，這會(huì)極大的影響結(jié)構(gòu)物的正常作業(yè)甚至安全性。因此，有必要對(duì)這些結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、波浪載荷以及波浪爬高進(jìn)行研究和預(yù)報(bào)[鹿來(lái)運(yùn),鄭文科,馬玉婷,etal.波浪載荷對(duì)FLNG運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律研究[J].節(jié)能技術(shù),2017(02):34-41.]。鹿來(lái)運(yùn),鄭文科,馬玉婷,etal.波浪載荷對(duì)FLNG運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響規(guī)律研究[J].節(jié)能技術(shù),2017(02):34-41.（a）不同類型的海洋結(jié)構(gòu)物（b）波浪沖擊下的平臺(tái)圖1.1各種不同海洋結(jié)構(gòu)物和波浪砰擊下的平臺(tái)Fig.1.1Variousmarinestructuresandhugewavescrashagainsttheplatform在實(shí)際的海洋工程問(wèn)題中，當(dāng)研究對(duì)象是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，或尺寸較小的結(jié)構(gòu)物時(shí)，學(xué)者們通常會(huì)使用Morison[MorisonJRect.Theforceexertedbysurfacewaveonpiles[J].PetroleumTransactionsAIME1950189149-154.]公式，而當(dāng)結(jié)構(gòu)物尺寸較大時(shí)，則會(huì)使用波浪繞射理論[MacCamyRC,FuchsRA.Waveforcesonpiles:Adiffractiontheory[M].WashingtonDC:USArmyBeachErosionBoard,1954:1-17.]來(lái)分析其受力情況?；旧?，工程領(lǐng)域內(nèi)的大部分問(wèn)題都可以用這兩種方法得到很好的模擬。BaarholmRJ[BaarholmR,FaltinsenOM,HerfjordK.WaveImpactOnDecksOfFloatingPlatforms[J].PracticalDesignofShips&OtherFloatingStructures,2001,1:621-627.]等（2000）對(duì)抨擊載荷問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究。Nielsen[Nielsen,F.G.Comparativestudyonairgapunderfloatingplatformsandrun-upalongplatformcolumns[J].MarineStructures,2003,16(2):97-134.](2003)運(yùn)用多種不同的勢(shì)流理論方法模擬計(jì)算了半潛式海洋平臺(tái)的立柱爬高，并將多種結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了這幾種方法的準(zhǔn)確性。陳博等[陳博,喻志勇.海上油氣開采鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)性能選型研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2017,34(4):120-124.]（2017）對(duì)不同結(jié)構(gòu)物的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)問(wèn)題進(jìn)行了研究。翟佳偉[翟佳偉,唐友剛,李焱,etal.風(fēng)浪流中渦激共振對(duì)Spar型浮式風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響[J].海洋工程,2018(4).]（2018）研究了浮式風(fēng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)與渦激振動(dòng)之間的關(guān)系。MorisonJRect.Theforceexertedbysurfacewaveonpiles[J].PetroleumTransactionsAIME1950189149-154.MacCamyRC,FuchsRA.Waveforcesonpiles:Adiffractiontheory[M].WashingtonDC:USArmyBeachErosionBoard,1954:1-17.BaarholmR,FaltinsenOM,HerfjordK.WaveImpactOnDecksOfFloatingPlatforms[J].PracticalDesignofShips&OtherFloatingStructures,2001,1:621-627.Nielsen,F.G.Comparativestudyonairgapunderfloatingplatformsandrun-upalongplatformcolumns[J].MarineStructures,2003,16(2):97-134.陳博,喻志勇.海上油氣開采鉆井平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)性能選型研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2017,34(4):120-124.翟佳偉,唐友剛,李焱,etal.風(fēng)浪流中渦激共振對(duì)Spar型浮式風(fēng)機(jī)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的影響[J].海洋工程,2018(4).研究表明，使用Morison公式和波浪繞射理論來(lái)預(yù)測(cè)簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)物的水動(dòng)力相關(guān)問(wèn)題的結(jié)果是比較準(zhǔn)確地，然而當(dāng)結(jié)構(gòu)物比較復(fù)雜時(shí)，卻不能取得理想的結(jié)果。如今，計(jì)算機(jī)技術(shù)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步和發(fā)展，基于粘流理論的試驗(yàn)研究得以開展。Park[Park,J.-C.,Kim,M.-H.,Miyata,H.,Chun,H.-H.Fullynonlinearnumericalwavetanksimulationsandwaverun-uppredictionaround3-Dstructures[J].OceanEngineering2003,30(15):1969-1996.]等（2003）使用粘流理論的相關(guān)方法分析了某平臺(tái)的受力情況。Queutey[Queutey,P.,Visonneau,M.,Ferrant,P.Numericalinvestigationofwaveinteractionwithafixedverticalcircularcylinder[J].InternationalJournalofOffshoreandPolarEngineering,2004,14(3):202-209.]等（2004）研究了波浪和水平圓柱體立柱之間的相互作用。此外，還有大量學(xué)者對(duì)波浪和結(jié)構(gòu)物的相互作用問(wèn)題進(jìn)行了深入的研究。（Lee[Lee,K.,Kim,D.,Kim,C.,Lee,S.,Kee,S.Waverun-uponverticalcylinderby3-dimensionalVOFmethod[C].Proc17thIntOffshoreandPolarEngConf,ISOPE,Lisbon,Portugal,2007:2679-2683.]等，2007；Cao[Cao,H.J.,Wan,D.C.Numericalinvestigationofextremewaveeffectsoncylindricaloffshorestructures[C].ProceedingsoftheTwenty-secondInternationalOffshoreandPolarEngineeringConference(ISOPE),Rhodes,Greece,2012:804-811.]等，2012；DevolderDevolderB,RauwoensP,TrochP.Applicationofabuoyancy-modified,k-ωSST,turbulencemodeltosimulatewaverun-uparoundamonopilesubjectedtoregularwavesusingOpenFOAM?[J].CoastalEngineering,2017,125:81-94.等，2017；TianPark,J.-C.,Kim,M.-H.,Miyata,H.,Chun,H.-H.Fullynonlinearnumericalwavetanksimulationsandwaverun-uppredictionaround3-Dstructures[J].OceanEngineering2003,30(15):1969-1996.Queutey,P.,Visonneau,M.,Ferrant,P.Numericalinvestigationofwaveinteractionwithafixedverticalcircularcylinder[J].InternationalJournalofOffshoreandPolarEngineering,2004,14(3):202-209.Lee,K.,Kim,D.,Kim,C.,Lee,S.,Kee,S.Waverun-uponverticalcylinderby3-dimensionalVOFmethod[C].Proc17thIntOffshoreandPolarEngConf,ISOPE,Lisbon,Portugal,2007:2679-2683.Cao,H.J.,Wan,D.C.Numericalinvestigationofextremewaveeffectsoncylindricaloffshorestructures[C].ProceedingsoftheTwenty-secondInternationalOffshoreandPolarEngineeringConference(ISOPE),Rhodes,Greece,2012:804-811.DevolderB,RauwoensP,TrochP.Applicationofabuoyancy-modified,k-ωSST,turbulencemodeltosimulatewaverun-uparoundamonopilesubjectedtoregularwavesusingOpenFOAM?[J].CoastalEngineering,2017,125:81-94.TianX,WangQ,LiuG,etal.Numericalandexperimentalstudiesonathree-dimensionalnumericalwavetank[J].IEEEAccess,2018,PP(99):1-1.林建忠阮曉東陳邦國(guó).流體力學(xué)[M].2d,北京：清華大學(xué)出版社，2013PijushK.Kundu,IraM.Cohen,DavidR.Dowling.FluidMechanics[M].5nd,Singapore:Elsevier,2013.