畸形波数值模拟及其对结构物的作用

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1、申请上海交通大学博士学位论文畸形波数值模拟及其对结构物的作用博士生：扈喆导师：唐文勇教授薛鸿祥副教授学科专业：船舶与海洋结构物设计制造研究方向：波浪与结构的相互作用上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院二零一五年十一月ADissernationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofPhilosophyDoctorinEngineeringNUMERICALSIMULATIONOFROGUEWAVESANDTHEIRACTIONONSTRUCTURESCandidate:HuZheSupervisor:Pro

2、fessorTangWenyongAssociateProfessorXueHongxiangMajor:DesignandManufactureofNavalandOffshoreStructureInterests:Wave-stuctureInteractionSchoolofNavalArchitecture,Ocean&CivilEngineeringShanghaiJiaoTongUniversityNov.2015上海交通大学博士学位论文摘要摘要畸形波是一种具有大波高和强破坏性的波浪，由于其多次造成海上事故而受到人们关注。然而，由于畸形波出现的偶然性与

3、短暂性，其实测数据有限，对于畸形波的研究目前仍不成熟。畸形波一般突然出现，没有预兆，很难预测，存在时间较短，很快消失，可以产生于深水、浅水或有限水深区域，可以产生于风暴中或一般天气，可以产生于较强海流海域或无明显海流海域。鉴于畸形波的特殊性及破坏性，研究畸形波的机理、模拟及其与结构的相互作用具有重要的理论意义和工程实际意义。本文作为国家自然科学基金项目“畸形波的动力学机理及其对深海平台强非线性作用研究”的重要组成部分，旨在在现有畸形波研究成果的基础上，进一步深入讨论畸形波的动力学机理，有效模拟不同类型的畸形波，研究畸形波与结构的相互作用，提出能够有效模拟具有瞬态冲击

4、及复杂自由液面流动特点的畸形波与结构流固耦合作用的方法。本文对现有畸形波动力学机理进行讨论，在现有研究的基础上，提出了基于概率的波列叠加模型和基于呼吸子解的二阶非线性解，采用数值波浪水槽模拟了不同类型的畸形波，并对其与结构物（如圆柱和平板）的相互作用展开了深入研究。本文在研究过程中取得了丰硕的研究成果：在畸形波模拟模型、数值波浪水槽技术与畸形波上浪模型等方面对现有方法提出了有效的改进；在畸形波流固耦合计算方面提出了新的算法。论文的主要研究工作如下：(1)归纳总结了现有的畸形波动力学机理模型，畸形波模拟方法以及畸形波与结构物相互作用的研究，分析了现有模型与方法的优点与

5、不足，阐述了有待补充和完善的研究内容。(2)基于N-S方程与VOF方法，采用VisualBasic语言构建二维数值波浪水槽。采用速度边界赋值（速度入口）的方式有效模拟畸形波，同时保留畸形波的非线性。(3)从初始扰动反演角度讨论了畸形波的聚焦模型，并讨论了具有Gauss包络形态的畸形波的演化特征。(4)传统的动量源法和松弛法消波简单方便，但消波系数为常数，对变化流场的适应性较弱，且有时对大规模质量迁移问题的消波效果欠佳。鉴于以上不足之处，对传统松弛法进行改进，引入随时间变化的消波系数，提出了一种基于松弛法的守恒消波法。守恒消波法在消波区域设置质量源汇，通过求解守恒方程

6、动态确定消波系数，适应流场变化，在降低来波能量的基础上，同时消除来波的多余质量，减小消波区长度，提高计算效率。(5)传统的波列叠加模型可以有效的模拟满足定义的畸形波，因而在实验室和数I上海交通大学博士学位论文摘要值水槽中有着广泛的应用。然而，采用传统方法，能量比例与组成波数目等参数往往凭经验选取，当汇聚波列能量比例较大时，与真实海况不符，比例较小时，模拟效率较低。鉴于以上不足之处，考虑到非规则波浪场的随机性本质，本文在传统方法的基础上提出了一种基于概率的畸形波波列叠加模型。通过给出不同能量比例、不同组成波数目下的畸形波生成概率，实现合理高效地确定计算参数，同时尽可能

7、的降低汇聚波列能量比例，增加与实际海况的符合程度。(6)作为一种应用广泛的畸形波非线性动力学模型，三阶Schrödinger方程的Peregrine呼吸子解已经在实验室中成功模拟。本文在数值水槽中模拟Peregrine呼吸子解，给出畸形波生存期和传播距离的表达式，并给出且成功模拟了有限水深下基于Peregrine呼吸子解的畸形波Stokes二阶波。(7)利用数值波浪水槽研究了畸形波对刚性水平板的上浪现象，针对畸形波大波高和高能量的特点，考虑到畸形波在甲板上的继续传播以及溃坝延迟效应等因素，改进了传统的溃坝模型Ritter解，提出了一种联合波浪-溃坝模型。利用联系