波浪作用下玻璃钢浮标水动力特性的数值研究

论文摘要

本文首先对波浪三维数值模拟和浮标的水动力特性研究进展进行了较为全面的概述,特别对数学模型基本理论进行详细的叙述。并根据Goda的两点法分离反射波和入射波,编写相应的Fortan程序计算反射系数Kr。建立多组数学模型试验研究波高水深比(H/h)和反射系数之间的关系,得出H/h和反射系数之间的最优关系。在数学模型理论的基础上建立波浪数值水池对波浪和发电浮标进行数值模拟,并对所建立的数学模型进行验证,得出所建立数学模型可以应用于各种波浪情况下的数值模拟以及玻璃钢浮标水动力特性的数值研究。其次,基于三维波浪数值水池模拟波浪在非对称台阶地形上的传播,通过多组次模拟计算,结果表明台阶地形上墩柱绕流属于复杂的三维流态,墩柱迎水面没有明显的涡动结构,高涡量呈对称状聚集在墩柱的背水面,少许聚集在迎水面,墩柱的背水面形成了一对涡对旋转方向相反的涡结构。比较发现KC值与周期有关,但在周期相同波高不同的波况下,KC值相差不大,说明KC值与波高变化关系不明显。墩柱正面水体表面的水平方向流速变化较大,侧面水平流速变化最为剧烈,背面在墩柱的掩护作用下,水平方向流速变化不大。在墩柱的正面和侧面竖向环流明显,背面无明显竖向环流。最后,建立三维波浪数值水池对玻璃钢浮标进行水动力特性进行模拟研究,得出浮标的正前方出现波峰塌陷现象,浮标周围自由面的形态发生改变,自由面在浮标处存在许多小的褶皱,呈现出明显的三维特性。分析瞬时流场发现浮标配重的左下方有一漩涡,随着波浪的推进,漩涡逐渐消失,浮标的背水面有形成漩涡的趋势,但是波速较大,没能形成明显的漩涡。通过对涡量结构分析发现浮标周围的涡结构未成对称结构与墩柱结构物周围的对称涡结构不同,浮标遇到涡对结构不对称时,会导致浮标在横向上发生偏移,左右摆动。通过对垂荡和纵摇分析得出玻璃钢浮标在浮摇稳定性方面的性能优于全钢制浮标,水动力特性的优势更为明显。从数值模拟结果和浮标重心、浮心位置两者比较看,改良后玻璃钢浮标的稳性相对较高。浮标的动水压强最大来自垂直方向,在新型玻璃钢浮标设计过程中,要考虑动水压强的作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与目的
• 1.2 波浪数值模拟进展
• 1.2.1 数值造波方法
• 1.2.2 数值消波方法
• 1.2.3 自由表面追踪
• 1.3 浮标的水动力特性研究进展
• 1.3.1 国外研究现状
• 1.3.2 国内研究现状
• 1.4 CFD 软件的发展及其比较
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 数学模型的基本理论
• 2.1 Flow-3D 软件简介
• 2.2 波浪运动的控制方程
• 2.3 孔隙介质中水流运动的控制方程
• 2.4 RNGk-ε紊流模型
• 2.5 运动与碰撞模型（GMO）
• 2.6 数学模型的边界条件
• 2.7 自由面追踪（VOF）方法
• 2.8 控制方程的离散和求解
• 2.8.1 控制方程的离散
• 2.8.2 控制方程的求解
• 2.9 本章小结
• 第三章 波浪数值水池的建立和验证
• 3.1 反射系数分析法
• 3.2 波浪数值水池试验中的消波参数分析
• 3.3 波浪数值水池的建立和验证
• 3.3.1 波浪数值水池
• 3.3.2 浮式结构物的验证
• 3.4 本章小结
• 第四章 波浪数值水池的应用
• 4.1 引言
• 4.2 墩柱数学模型的建立和验证
• 4.3 墩柱的模拟结果分析
• 4.3.1 墩柱周围的自由表面
• 4.3.2 墩柱周围的瞬时速度场
• 4.3.3 墩柱周围的涡量
• 4.3.4 KC 值
• 4.3.5 不同相位时墩柱周围水平流速分布
• 4.4 本章小结
• 第五章 玻璃钢浮标的水动力特性研究
• 5.1 问题的提出
• 5.2 浮标数学模型
• 5.2.1 浮标参数和三维模型
• 5.2.2 波浪条件
• 5.2.3 数学模型的建立
• 5.3 浮标数植模拟结果分析
• 5.3.1 浮标的自由表面
• 5.3.2 浮标周围的瞬时速度场
• 5.3.3 浮标周围的涡量
• 5.3.4 浮标的运动响应
• 5.3.5 动水压强
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录 A （攻读学位期间发表论文目录）
• 附录 B （攻读学位期间从事科研项目目录）
• 详细摘要