利用脉冲响应函数法计算物体上不规则波浪力

论文摘要

根据线性系统分析的脉冲响应函数方法,计算不规则波浪序列引起的水质点速度、加速度和物体上的波浪作用力。利用摄动展开方法,在一阶近似情况下通过对波动传递函数的逆傅里叶变换得到波浪脉冲响应函数的解析表达式。不规则波速度势的时间、空间导数可以在仅已知不规则波波面历程的情况下利用脉冲响应函数与已知波面序列的线性卷积得到。将本文计算出的入射波与线性波浪叠加方法的对比结果验证了本文方法的正确性。从而证明了可以通过仅已知不规则波波面序列就得到波浪场中的水质点速度、加速度等量。对于小尺度孤立圆柱应用Morison方程计算波浪力。利用傅立叶变换对波浪力进行频谱分析后可得到：脉冲响应函数法求得的波浪力谱与线性谱分析法的波浪力谱在非线性较弱时较为接近。但在波浪非线性增大时,对于速度力谱脉冲响应法求得谱与线性谱分析法相比峰值、主要能量区谱宽增大,高、低频处能量增多；对于惯性力谱两种方法结果基本相同。对于任意三维物体,将物面条件和自由水面条件精确到一阶并且入射势同样利用脉冲响应函数法表示。对于散射势利用人工数值岸滩的方法,阻尼项在运动学、动力学边界条件中都加入,以保证数值计算时散射势无反射。在时域内对散射势和简单格林函数利用格林第二定律建立边界积分方程。利用高阶边界元方法对建立的积分方程进行离散,计算当前时刻计算域中的散射势。对于边界条件和运动方程利用四阶龙格库塔法进行计算。计算了在仅已知波面过程线的情况下截断圆柱的绕射、辐射问题。通过对规则波和做规则波作用下截断圆柱波浪力和位移与Isaacson和Cheung的对比证明了本文方法的正确性。最后对于不规则波作用下一个Spar平台进行了波浪力和位移的分析计算,表明本文方法可以利用于实际问题的计算。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景和意义
• 1.2 不规则波浪与建筑物相互作用数值方法介绍
• 1.3 本文主要工作
• 2 不规则波速度势时间、空间导数的表示方法与数值实现
• 2.1 不规则波表示方法的基本理论
• 2.1.1 线性系统的脉冲响应法
• 2.1.2 入射波速度势导数的表示方法
• 2.2 与叠加方法计算不规则波的对比
• 2.2.1 规则波的对比
• 2.2.2 不规则波的对比
• 3. 脉冲响应法计算不规则波在小尺度圆柱波浪力求解上的应用
• 3.1 Morison方程
• 3.2 小尺度圆柱上波浪力模拟结果
• 3.3 与谱分析方法的对比
• 4 脉冲响应法模拟不规则波在任意三维物体水动力计算中的应用
• 4.1 入射势的模拟方法
• 4.2 控制方程与初-边界条件
• 4.3 泰勒级数展开与摄动展开
• 4.4 波浪与物体相互作用的时域理论
• 4.4.1 刚体运动方程
• 4.4.2 散射势满足的控制方程与边界条件
• 4.4.3 边界积分方程的建立
• 4.4.4 边界积分方程的离散和求解
• 4.4.5 时间积分过程
• 4.4.6 波浪力的计算
• 4.4.7 运动方程的求解
• 4.5 规则波对于截断圆柱绕射模拟结果
• 4.5.1 参数的选取和网格划分
• 4.5.2 入射波速度势的验证
• 4.5.3 波浪力的模拟结果
• 4.6 波浪作用下截断圆柱绕射-辐射联合作用模拟
• 4.6.1 规则波入射情况下截段圆柱波浪力、位移的验证
• 4.6.2 不规则波入射情况下截段圆柱波浪力、位移的验证
• 5 脉冲响应函数法模拟不规则波在Spar平台的水动力计算方面的应用
• 5.1 入射不规则波波面的生成
• 5.2 Spar平台的参数设定
• 5.3 平台波浪力和位移模拟结果
• 5.3.1 波浪力模拟结果
• 5.3.2 位移模拟结果
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢