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基于MPS-FEM方法研究孤立波与水下浸没板的相互作用

许彦章  
【摘要】:21世纪以来,陆地自然资源的过度开发和枯竭已经成为人类面临的巨大挑战,而海洋蕴涵着丰富的油气资源,正成为人类开发利用的重点。而开发海洋的工程装备在海洋环境下的稳定性和安全性是工程人员关注的话题。半潜式超大浮体和海洋平台的水下部分与波浪的相互作用可以简化成波浪与浸没板的相互作用,同时为保护海岸线和近海工程结构物免遭波浪侵蚀而设置的消波堤和人造岛礁与波浪的相互作用也可以简化成波浪与浸没板的相互作用。本文研究孤立波与平板的相互作用,着重分析两者之间相互作用的机理机制,为工程上分析波物相互作用提供指导。本文采用基于移动粒子半隐式方法(Move Particles Semi-implicit,MPS)以及有限单元法(Finite Element Method,FEM)开发的MPSFEMSJTU流固耦合求解器,对孤立波与垂直和水平浸没板的相互作用进行了研究,比较了弹性、刚性板与孤立波相互作用的不同,并分析了波高等参数对孤立波与浸没板相互作用的影响。本文先进行孤立波的造波验证。采用该求解器分别生成二维、三维孤立波,然后对比了理论值的波高和波形与数值结果的差异,验证了求解器造波模块的准确性。造波的验证为后文孤立波与浸没板的相互作用打好了基础。然后,数值模拟了孤立波与垂直浸没板的相互作用。在研究中,首先分析了二维孤立波与刚性垂直板的相互作用,接着对比了孤立波分别与刚性垂直板和弹性垂直板相互作用的差异,考察了结构弹性对孤立波与垂直浸没板的相互作用。紧接着分析了三维孤立波与垂直浸没板的相互作用并与二维情况对比。研究结果表明孤立波在经过垂直板后,波形和波高会发生变化,同时在尾部会发生破碎现象。当板的弹性变形较大时,孤立波经过后不会发生破碎,但是当板的弹性模量增大后,破碎现象会发生。三维孤立波与垂直板的相互作用也有不同的现象。最后,研究了孤立波与水平浸没板的相互作用。首先分析了二维孤立波与刚性水平浸没板的相互作用,并分析了波高和平板浸没深度对孤立波与水平板相互作用的影响,接着对比了二维孤立波分别与弹性和刚性水平浸没板相互作用的差异。紧接着分析了三维孤立波与水平浸没板的相互作用。结论表明不同孤立波波高、平板浸没深度和板的弹性对孤立波与水平板的相互作用有不同的影响。同时三维孤立波与水平板的相互作用也与二维情况存在差异。


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