波浪与浮式结构物相互作用的研究

论文摘要

为了解决社会对水产品需求增长和浅水养殖业所存在问题间日趋突出的矛盾，“深水养殖网箱的研究”被列入中国第十个五年计划中的一个重点项目。本文对此研究项目中的两种浮式结构物在波浪作用下的水动力特性进行了物理模型试验和数值计算研究。一种结构是深水重力式网箱的圆形浮架结构，另一种是浮式防波堤结构。 对浮架结构的研究方面，首先针对重力式网箱浮架的运动进行了实验室物理模型试验，先后设计了两种锚碇结构形式—折线形和直线形，对每种锚碇—浮架系统分别量测了浮架上特定点的运动轨迹以及海底锚碇点的受力历时曲线。其次在时域内对浮架结构的运动和锚碇点受力进行了数值模拟。考虑到浮架结构的尺寸特点，采用改进的Morison公式计算波浪对浮架的作用力，简化计算的同时也面临着公式中水动力系数选取的难题，本文对流阻力系数等对浮架运动的影响进行了比较分析。锚碇系统的作用力计算需要考虑锚碇系统的动态响应，根据各段锚绳张力连续的条件求解各个时刻锚绳的运动及其产生的张力。在计算出浮架受力之后通过求解刚体运动方程得到浮架结构的刚体加速度、速度和位移，进而计算下一时刻的受力，使得计算得以连续进行下去，运动方程采用四阶Runge—Kutta方法求解。通过数值结果与试验结果的比较，验证本文数值模型的正确性，为浮架结构的深入研究和整体网箱的设计提供了技术支持。 浮式防波堤的结构形式很多，本文首先选取单箱、双箱和板式浮堤进行消浪性能试验，锚链在平衡状态有一定的拖地长度，对两种拖地长度进行了比较，分析了链长对浮堤消浪性能的影响。为了能有效的削弱长波，本文进而提出了一种板—网式浮式防波堤，并对浮堤的堤宽、网数和刚度以及波浪和水流的方向等因素对浮堤消浪性能的影响进行了物理模型试验。试验结果表明结构简单的板—网式浮防波堤能够起到一定的为深水网箱消浪的作用，是一种较为经济实用的浮式防波堤，具有一定的工程应用前景。 对浮式防波堤的数值模拟采用时域边界元方法，建立了时域边界积分方程。物体在波浪中运动的时候，物体的运动决定了所受流体作用力的大小，反过来，受力又影响了物体的运动，因此，边界积分方程和物体运动方程是相互耦合的，需要同时进行求解。运动方程同样采用四阶Runge—Kutta方法求解。浮堤的锚泊系统采用静态悬链线法模拟。本文对单箱、双箱和板式的浮式结构物进行了数值计算，结果表明对固定物体的模拟结果与解析解或频域解的吻合程度较好，计算得到的系泊浮堤透射系数随波浪周期的变化趋势与试验结果相一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 网箱系统的发展及研究现状
• 1.2.2 浮式防波堤发展及研究现状
• 1.2.3 浮式结构数值模拟方法
• 1.2.4 系泊缆索计算方法
• 1.2.5 系泊系统耦合计算
• 1.2.6 存在的主要问题
• 1.3 本文主要研究内容
• 1.3.1 本文的研究内容
• 1.3.2 论文研究的总体结构框架
• 2 浮架的物理模型试验
• 2.1 引言
• 2.2 实验设施和仪器
• 2.3 试验比尺
• 2.4 模型设计与布置
• 2.4.1 浮架系统与折线形锚碇系统
• 2.4.2 浮架系统与直线形锚碇系统
• 2.5 试验条件
• 2.5.1 折线形
• 2.5.2 直线形
• 2.6 试验结果分析
• 2.6.1 浮架位移
• 2.6.2 锚绳受力
• 2.6.3 两种锚碇系统最大受力比较
• 2.7 小结
• 3 浮架系统数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 数学模型
• 3.2.1 模型简化
• 3.2.2 坐标系设定
• 3.2.3 波浪场理论
• 3.2.4 质量集中法概述
• 3.2.5 坐标变换
• 3.3 浮架构件受力分析
• 3.3.1 重力
• 3.3.2 浮力
• 3.3.3 波浪力
• 3.3.4 弹性作用力
• 3.4 浮架系统运动分析
• 3.4.1 运动方程的建立
• 3.4.2 运动方程的数值求解
• 3.5 锚碇系统模拟
• 3.5.1 弹簧锚碇系统
• 3.5.2 折线形锚碇系统
• 3.5.3 直线形锚碇系统
• 3.6 结果与分析
• 3.6.1 自由运动浮架
• 3.6.2 弹簧锚碇系统浮架
• 3.6.3 折线形锚碇系统浮架
• 3.6.4 直线形锚碇系统浮架
• 3.7 小结
• 4 浮式防波堤物理模型实验
• 4.1 引言
• 4.2 试验设计
• 4.2.1 试验设备和测量仪器
• 4.2.2 试验比尺
• 4.2.3 浮堤形式
• 4.2.4 锚链模拟
• 4.2.5 模型整体布置
• 4.2.6 试验波流要素
• 4.3 数据分析
• 4.3.1 单箱式浮式防波堤
• 4.3.2 双箱式浮式防波堤
• 4.3.3 板式浮式防波堤
• 4.3.4 板-网式浮式防波堤
• 4.4 小结
• 5 浮式防波堤的数值模拟
• 5.1 引言
• 5.2 数学模型
• 5.2.1 坐标系和主要变量的定义
• 5.2.2 控制方程和边界条件
• 5.2.3 泰勒展开与摄动展开
• 5.2.4 格林函数方法
• 5.3 积分方程及其离散
• 5.4 水动力计算
• 5.4.1 绕射问题理论
• 5.4.2 绕射-辐射问题理论
• 5.5 系泊缆索数值模拟
• 5.5.1 锚链的悬链线理论
• 5.5.2 悬链线理论的实际应用
• 5.5.3 数值计算
• 5.5.4 静态锚链数值算例
• 5.6 数值计算分析及验证
• 5.6.1 单箱结构
• 5.6.2 双箱结构
• 5.6.3 水平板结构
• 5.7 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书