畸形波对小尺度海工立柱式结构作用的数值模拟

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1、硕士学位论文畸形波对小尺度海工立柱式结构作用的数值模拟作者姓名刘师辉学科专业水利工程指导教师胡金鹏副教授所在学院土木与交通学院论文提交日期2018年4月NumericalSimulationoftheEffectonSmall-scaleMarineColumnStructurebyFreakWavesADissertationSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：LiuShihuiSupervisor：Prof.HuJinpengSouthChinaUniversityofTechnologyGuangzhou,China摘要极端波浪是影响海洋工程结

2、构物正常工作和生存的最主要的海洋条件之一，而畸形波是其中一种极为特殊的强非线性极端波浪，具有出现频率高和随机瞬时发生的特性，一旦遭遇，它产生的巨大波浪载荷将对海洋工程结构物造成灾难性的危害，因此，畸形波与结构物相互作用方面的研究得到了国内外众多专家学者的重视。比较常见的海洋结构物多具有立柱结构，它们在多数海况下都具有小尺度的特点，开展畸形波与小尺度立柱结构相互作用的数值模拟研究具有重要的理论和实际工程意义。本文基于Fluent软件平台，构建了二维和三维波浪数值水槽，在指定时间和指定位置模拟了畸形波的生成；通过在水槽中加入小尺度垂直立柱结构，建立了畸形波与小尺度垂直立柱相互作用的模型。对比研究

3、了畸形波与“同尺度”的线性规则波和二阶斯托克斯波对小尺度垂直立柱的冲击效应，并分析了相关因素对冲击效应的影响，主要结论如下：（1）二维和三维数值波浪水槽中的畸形波模拟值很好地拟合了理论值，四个畸形波特征参数与定义值误差基本不超过8%；（2）与畸形波相互作用时，小尺度垂直圆柱体波浪力、迎浪面上的波浪涌高和柱表面的动水压强显著增加，且远大于“同尺度”的线性规则波和二阶斯托克斯波的作用强度。在畸形波冲击的瞬间，圆柱体受到一个极强的动水压强作用，柱体承受的波浪力在波峰作用瞬间达到极大值；（3）小尺度圆柱体受到的波浪力、迎浪面上的波浪涌高和柱表面的动水压强基本上随着畸形波有效波高、谱峰周期和圆柱直径的

4、增加而增加，但聚焦点的位置变化对柱体的最大波浪力影响不大，而对迎浪面上的波浪涌高和柱面动水压强值有所影响；（4）与圆柱体相比，同尺度方柱受到最大波浪力、迎浪面上的波浪涌高和柱表面迎浪方向上的最大动水压强有较大的增加，其最大波浪力是圆柱体的1.57倍。关键词：畸形波；小尺度圆柱体；波浪力；波浪涌高；动水压强IAbstractExtremewaveisoneofthemostimportantconditionsthataffectthenormaloperationandsurvivalofmarineengineeringstructures,freakwaveisoneofthemosts

5、pecialextremewavewhichhasthecharacteristicsofstrongnonlinearity,highoccurrencefrequency,randomandinstantaneous.Thehugewaveloadoffreakwaveswillcausecatastrophicdamagetomarineengineeringstructures.Inviewofthegreatharmfulnessoffreakwaves,thestudyoftheinteractionbetweenfreakwavesandstructureshasattract

6、edtheattentionofmanyexpertsandscholars.Themostcommonmarinestructuresarecolumnstructures,whicharecharacterizedbysmallscaleundermostseaconditions,itissignificanttostudythenumericalsimulationoftheinteractionbetweenfreakwavesandsmall-scalecolumnstructures.A2Danda3Dnumericalwaveflumeareconstructedbasedo

7、ntheFluentsoftwareplatform,whichcansimulatefreakwavesattheappointedtimeandlocation.Amodelofinteractionbetweenfreakwavesandsmallverticalcolumnsisestablishedbyaddingsmallverticalcolumnsintheflume.Theimpactoff