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圆柱群水动力辐射绕射中非传播模态影响规律研究

文献类型:学位论文

作者孙哲
答辩日期2018-05-25
文献子类硕士
授予单位中国科学院大学
授予地点北京
其他责任者中国科学院力学研究所
导师曾晓辉
关键词浮式圆柱 相对运动 非传播模态 水动力特性
学位专业工程力学
其他题名The analysis of impact of evanescent waves on hydrodynamic interactions of truncated cylinders
英文摘要

对海洋资源的有效开发与利用,在很大程度上推动了社会的发展与进步。如今,陆地石油与天然气资源日益稀少,油气资源的开发逐渐由陆地转向至海洋领域,为了寻求资源独立,资源开发由浅海领域走向深海领域是必然的趋势。时至今日,海洋资源的开发技术发展迅速,各式各样的大型海洋浮式结构物应运而生。常见的海洋浮式结构物主要包括:开采海洋油气资源的钻井储油深海平台;为了有效利用海上空间的人工岛以及海上机场等超大型浮体(VLFS);利用波能、潮汐能等进行发电的波能发电装置。

以上这些海洋浮式结构物的水下浮体部分大多可以简化为浮式圆柱群结构,研究圆柱群与波浪的水动力相互作用问题为海洋浮式结构物的结构设计、强度校核、疲劳分析等奠定了理论基础,具有重要的指导意义。对于浮式柱群水动力性能的准确预报,其关键问题在于准确分析柱间的相互影响作用,柱间影响主要包括两方面:柱间传播模态与柱间非传播模态影响。一般情况下,柱间非传播模态影响不予考虑,但是当浮式柱群数量较大、柱间距较小时,柱间非传播模态的影响越发明显。对于不同的海洋浮式结构,由于结构之间连接形式的差异,浮式圆柱群又可分为“柱间存在相对运动”、“柱间无相对运动”两种情况。对于钻井储油深海平台此类结构物,其水下浮体部分与平台是刚性连接,所以简化后的浮式圆柱群计算模型可视一个整体,进行水动力分析时不考虑柱间的相对运动。而对于波能发电装置、超大型浮体等无连接以及弱连接的浮式结构物,水动力分析模型大多简化为柱间存在相对运动的圆柱群模型。

本文针对柱间存在相对运动情况,深入分析了柱间非传播模态对水动力系数的影响规律,探究了某一工况下是否应该考虑柱间非传播波的影响。首先,采用势流理论模拟波浪场,应用泰勒展开和摄动方法将非线性边界条件与拉普拉斯控制方程进行展开,进而得到各阶定解问题。针对一阶线性水波问题,利用特征函数法对“柱间存在相对运动浮式柱群水动力相互作用问题”进行了理论推导。其次,根据理论推导编制相应Fortran程序,通过与相关文献中的算例进行计算结果比对,验证理论推导与自编程序的正确性。之后,通过自编程序遍历不同工况,深入分析柱间非传播模态的影响程度以及影响规律,并针对截头两柱垂荡运动模态,在理论基础上分析了非传播模态对水动力系数的影响机理,探讨了水动力系数随柱间距增加而衰减的规律。根据分析结果,给出了由绕射柱间非传播模态引起的水动力特性随柱间距增加而衰减的拟合公式,且该拟合公式适用于多种工况。最后,在水深为十倍柱径条件下,对拟合公式进行了优化,并拓展至矩形排布的浮式圆柱群中。

通过上述研究,我们发现:附加质量对柱间非传播模态是否存在比较敏感,而阻尼系数基本不受柱间非传播模态的影响;附加质量系数对两种柱间非传播模态(辐射速度势和绕射速度势中的非传播模态组份)都很敏感,且考虑与忽略柱间非传播模态时附加质量的差值主要是由柱间非传播模态自身引起的;相比于绕射速度势,辐射速度势中的非传播模态对相邻圆柱的水动力特性影响更大,且当波数较大时,柱间非传播模态引起的附加质量为常量,不再随波数发生变化;当柱间距减小或者柱群中圆柱数量增加时,柱间非传播模态对附加质量产生的影响会逐渐增加,但是变化速率会越来越慢,所以在小间距以及大柱群数量时必须要考虑柱间非传播模态影响;随着柱间距的增加,柱间非传播模态迅速衰减,且由柱间非传播模态引起的附加质量呈指数形式快速衰减。

语种中文
源URL[http://dspace.imech.ac.cn/handle/311007/73158]  
专题力学研究所_流固耦合系统力学重点实验室(2012-)
作者单位中国科学院力学研究所
推荐引用方式
GB/T 7714
孙哲. 圆柱群水动力辐射绕射中非传播模态影响规律研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2018.

入库方式: OAI收割

来源:力学研究所

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