用三维雷诺时均模型模拟小尺度组合桩柱上的波浪力

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1、独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得鑫盗盘鲎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名．桶覆签字日期．山厂年驴月j口日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权鑫盗盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送

2、交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：杨覆导师签名：签字日期：跏f年p月夕。日签字日期：衫年彦月弓o．日天津大学硕士学位论文用三维雷诺时均模型模拟小尺度组合桩柱上的波浪力1．1研究背景和研究意义第一章绪论海洋与人类的生存息息相关，随着社会的进步，人类对海洋的开发力度也不断加大。为了保证海上交通、海上采油等各种经济活动的顺利进行，人们在近岸海域修建了各种海工建筑物，其中直径相对于波长很小的圆柱桩结构应用得尤为广泛。在近岸海域，波浪是一类重要的动力因素，波浪与结构物发生作用后，在结构物附近，波面将发生复杂的非线性变形，同时，在实际工程中，这种小尺度桩

3、柱一般都是以柱群的形式出现，由于群柱的相互影响，在这些桩柱的附近，流动状态将发生改变，以至于群柱上的波浪载荷问题变得十分复杂，而桩柱所承受的波浪荷载，通常是结构物设计的控制荷载，它对工程的造价，安全度及寿命起着重要作用，因此，研究海浪对小尺度组合桩柱的作用是很重要的。在海洋工程中，当结构物的特征尺度D与波浪的特征尺度波长L之比满足D／L墨0．15时，该结构物被称为小尺度结构物，小尺度结构物在波浪中的主要作用力是粘性力和惯性力，小尺度结构物的存在可以被认为不影响入射波浪场，但流体绕过结构物时，边界层分离，结构物后的尾涡发展，涡街的形成、振荡，再加上群柱间的相互影响，使得流动图案十分复杂【l

4、】。在计算机和计算技术未广泛应用以前，小尺度孤立柱上的波浪载荷主要是以Morison方程【2】为基础，通过理论分析结合实验确定系数的半经验方法。而对于群柱问题，则一般都是在孤立柱的基础上人为乘以一个系数，这样既费时费力，又很难做到精确。数值模拟是基于一定的波浪理论建立数学模型，并通过一定的数值计算方法在计算机上做数值模拟研究。从上世纪70年代，随着计算机的飞速发展和各种数值计算方法的发展，各种模拟波浪与结构物相互作用的理论模型相继出现并得到了广泛的应用，当然数值模拟研究也有一定的局限性。用数值模型模拟波浪与结构物相互作用时，如何选择合适的理论模型是关键。以前的工程计算中，大多采用基于势流

5、理的数学模型来模拟波浪和结构物的相互作用；近些年来，随着计算机和计算技术的发展，利用粘性不可压缩流动理论模拟波浪和结构物的相互作用也随之发展起来了。第一章绪论1．2相关工作回顾对于相对小尺度的海工结构物，采用Morison于1950年提出Mofison公式计算波浪力已有较满意的结果，其关键在于选定一种适宜的波浪理论和相应的拖曳力系数和惯性力系数。但是，当结构物的形状复杂，或者结构物以柱群的形式出现时，还没有满意的理论方法来确定公式中相应的拖曳力系数和惯性力系数，所以在过去的三十多年中进行了大量的试验研究及原型观测工作，以确定波浪作用下各种小尺度结构物上的水动力系数，而且多集中在圆形结构物

6、上的观测，Sarpkaya和Isaacsont3】对此进行了很好的总结。赵德廷【4J用试验的方法研究了海底水平圆管的正向波浪力系数，并指出采用不同的统计方法，将得到不同的拖曳力系数和惯性力系数。因此，确定一种结构的拖曳力系数和惯性力系数是比较困难的。对于小尺度结构物上的波浪力问题，可以利用求解N．S方程进行数值模拟，近些年，国内外已经有不少学者在这方面做了一些工作，目前用数值模拟的方法解决此类问题的难点主要在于以下4个方面：(1)选择合适的数学模型。在波浪发生破碎时，破碎区处于湍动状态，在模拟波浪与结构物作用时，不仅需要知道结构物受到的波浪力、波面的变形过程，还需要知道结构物附近的细部流

7、场等的变化过程，并且在结构物附近，往往伴随着波浪破碎，流动分离和涡旋的产生等现象。因此选择合适的波浪模型是解决此类问题的关键。(2)自由表面的处理方法。波浪的自由表面随波浪的运动而变化，也就是计算域是变化的。如何处理非线性的自由表面是用粘性不可压缩模型模拟水波问题的最大难点。(3)数值造波方法。波浪遇到结构物或边界将产生一系列反射波，这些反射波会对计算域内波浪场产生干扰。造波系统能否在预定位置造出预定的波浪要素是水波数学模型中的一个