海上柱群间复杂水动力干涉的CFD分析

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在海洋资源与空间的开发和利用中,海洋平台等工程装备得到了广泛应用。海洋结构物的支撑结构多由毗邻柱群组成,其相互间的水动力干涉强烈且复杂,对结构物的安全、稳定作业等方面产生了极大不利影响。因而,对波浪中毗邻多柱间的复杂水动力干涉进行研究是非常必要的。另一方面,探索一种从根本上防护结构物的策略有实际工程意义。本文基于粘性流理论,建立了多浮体水动力计算的波浪数值水池模型,系统研究了多柱间的准陷波现象及群遮效应。首先,通过求解Navier-Stokes方程,结合VOF(Volume of Fluid)方法,建立了三维多相流波浪水池。对数值造波、消波技术进行了研究,数值实现了推板造波,质量源函数造波及定义边界条件造波等多种造波方法;对比不同造波法的优缺点及适用性后,确定了适于多浮体水动力研究的造波方法。此外,在水池末端引入人工阻尼层来进行波浪消除。在对建立的数值水池开展系统收敛性验证之后,基于该模型对波浪与单柱相互作用问题开展了研究,通过与理论解对比验证了数值模型可靠性并确定了适于柱形结构物水动力研究的计算域尺寸及网格剖分参数。进一步地,对波浪中固定四柱结构的绕射问题开展研究,通过与试验结果进行波面抬高数值的严格对比,进一步验证了建立的多浮体水动力模型可靠性。其次,对海工中常见四柱结构的一阶和二阶准陷波现象进行了模拟。通过与公开发表的试验数据和二阶势流结果对比,探究了流体粘性及非线性对准陷波频率下结构附近波浪场分布的影响,并分析了不同波数下四柱结构对波浪场造成的扰动。此外,结构整体及子模块的波浪载荷和波漂移力方向也进行了分析。最后,对水波中柱群的群遮效应开展了系统研究。验证了群遮效应对所需防护浮体波漂移力的低减作用,着重从波面分布角度分析了群遮效应作用机理,并研究了外围浮体数目、入射浪向和波数对波漂移力及波面结果的影响。通过与现有试验结果对比,进一步验证了群遮效应存在性及CFD结果可靠性。基于建立的粘流数值模型,本文对波浪中柱群间的复杂水动力干涉进行了深入研究和分析。研究表明,柱群间的相互干涉对结构水动力特性有显著影响。准陷波现象发生时,柱间相互干扰对波浪场产生了有害干涉,相对于整体倾覆结构更易发生局部破坏;而柱群间的群遮效应则是通过利用浮体间的有益波浪干涉来改善浮体周围的波浪环境,继而从根本上降低浮体所受波漂移力载荷。本文研究结果和结论可为工程设计和应用提供参考。
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