波浪与带窄缝多箱体作用共振现象的模拟研究.pdf

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1、第３７卷第３期海洋学报Vol畅３７，No畅３２０１５年３月HaiyangXuebaoMarch２０１５宁德志，苏晓杰，滕斌．波浪与带窄缝多箱体作用共振现象的模拟研究［J］．海洋学报，２０１５，３７（３）：１２６—１３３，doi：１０畅３９６９／j．issn．０２５３‐４１９３畅２０１５畅０３畅０１３NingDezhi，SuXiaojie，TengBin．Numericalstudyoffluidresonanceinducedbywaveactiononmulti‐boxeswithnarrowgaps［J］．HaiyangXuebao，２０１５，３７（３）：１２６—１３３，doi：１０畅

2、３９６９／j．issn．０２５３‐４１９３畅２０１５畅０３畅０１３波浪与带窄缝多箱体作用共振现象的模拟研究１１１宁德志，苏晓杰，滕斌（１．大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁大连１１６０２４）摘要：针对波浪与带有窄缝多箱体结构作用产生的流体共振问题，建立了基于域内源造波技术的二维非线性时域数值波浪水槽模型，其中自由水面满足完全非线性运动学和动力学边界条件，窄缝内流体引入人工阻尼来等效由于涡旋运动和流动分离引起的黏性耗散，计算域边界采用高阶边界元进行离散。通过模拟三箱体间两窄缝内相对波高变化，并与已发表的数值与实验结果对比，验证了本模型的准确性。同时通过大量的数值计算，分析了箱体数

3、量对窄缝内水体共振频率、共振波高以及对结构反射波高和透射波高的影响。关键词：窄缝；流体共振；域内源造波技术；高阶边界元；非线性数值波浪水槽中图分类号：O３５３畅２文献标志码：A文章编号：０２５３‐４１９３（２０１５）０３‐０１２６‐０８［５］３个结构间缝隙水体共振问题。譬如，Miao等采用1引言渐近匹配法研究了带狭缝二维双箱的共振现象，给出［６］为了充分利用海洋空间资源，由多模块组成的超了狭缝很小时双箱的理论共振频率。Saitoh等对［１］大型浮体已在海洋工程领域得到利用，譬如用作海不同入射波浪作用下两个方箱间窄缝的波高变化进上机场、军事基地、储存器和海难救助点等，国内外学行了试验研究，发

4、现窄缝内最大共振波高可以达到入［７—８］者已经开展了很多有关超大型浮体水动力特性的研射波高的５倍。Kristiansen和Faltinsen对波浪与［２］［３］究，如波浪冲击，水弹性运动响应，非稳定外荷载具有窄缝的二维固定及浮式箱体和固定式岸壁结构［４］作用下的动力响应等。由于组成超大型浮体的各之间的相互作用分别开展了数值和试验模拟，发现线个模块之间并不是无缝连接，大都存在相对模块特征性和非线性势流数值结果都比共振条件下的窄缝内长度很小的窄缝，缝隙内的水体在某些频率波浪作用试验波高要大，尤其是线性结果更大；并研究了共振下会发生共振现象，诱发很大的波浪爬高和荷载，进条件下浮体３个自由度的运动

5、响应与水动力系数。［９］而对海洋结构的作业安全带来很大的影响。在三体结构双缝隙方面，Iwata等分别对不同入射有关海洋结构物间窄缝内波浪水动力特性问题，波浪作用下３个方箱之间窄缝的波高变化进行了试国内外已经开展了许多相关理论、模型试验和数值模验研究，发现共振频率与箱体的吃水深度、窄缝宽度［１０］拟研究，但大多数研究目前还只是局限于两个结构或和箱体个数成一定的函数关系。何广华等采用比收稿日期：２０１４‐０１‐２２；修订日期：２０１４‐０４‐２１。基金项目：国家自然科学基金项目（５１１７９０２８，５１２２２９０２，５１２２１９６１）；教育部新世纪优秀人才支持计划（NCET－１３－００７６）；中

6、央高校基本科研业务费专项资金（DUT１３YQ１０４）。作者简介：宁德志（１９７５—），男，黑龙江省五常市人，教授，博士生导师，主要从事非线性波浪及其与结构物相互作用的研究。E‐mail：dzning＠dlut．edu．cn３期宁德志等：波浪与带窄缝多箱体作用共振现象的模拟研究１２７例边界有限元方法分别研究了波浪与三箱结构作用体这样由多模块组成的具有窄缝的海洋结构水动力［１１—１２］下窄缝内水体共振现象。Lu等采用黏性流模分析提供参考。型和改进的线性势流模型对三体结构间窄缝内水体2数学模型共振引起的波浪爬高和波浪荷载进行了研究，并发现在窄缝内自由水面上布置一定的人工阻尼时，势流模考虑单向规则

7、波浪与具有窄缝的多固定箱体相型也可以得到与试验和黏性流模型相一致的结果。互作用问题，其布置如图１所示。建立二维笛卡尔坐通过上述研究发现，三箱体间窄缝内水体共振频率明标系Oxz，z＝０位于静水面上，且z轴向上为正，x轴显不同于双箱浮体情况，甚至出现多个自振频率等复右方向为正。计算域包含自由水面f和固体边界Г杂情况，也进一步说明箱体数量对窄缝内水体运动特N（包括水底Гd和箱体b）。Г波浪由控Г制垂直源造性具有重要影响，而目前