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水槽边壁效应对四柱结构准陷波现象的影响-上海一恒科学仪器有限公司

[导读]为了准确预报海洋平台气隙性能,提高平台的安全性,本文借助HydroStar软件对四柱结构在开敞海域和水槽中的水动力响应进行了模拟。基于线性势流理论和边界元方法,上海一恒科学仪器有限公司对不同圆柱半径下的四柱结构在波浪

为了准确预报海洋平台气隙性能,提高平台的安全性,本文借助HydroStar软件对四柱结构在开敞海域和水槽中的水动力响应进行了模拟。基于线性势流理论和边界元方法,对不同圆柱半径下的四柱结构在波浪作用下的准陷波现象展开了对比研究。结果表明:圆柱半径的增大可以使准陷波模态的自振频率向高频移动,且对高阶准陷波模态的影响较为显著,并且导致波面分布特征的改变;决定准陷波现象发生频率的关键因素实际为圆柱侧壁间距;水槽横向立波自振频率与准陷波频率存在耦合作用,两种共振模态同时激发,导致对应频率附近波高峰值的显著增加。

近些年,海上资源开采逐渐向深海发展,浮式海洋平台逐渐受到了越来越广泛的关注,这些平台通常由多根大直径立柱组成,在某些恶劣海况下,波浪上涌对平台下甲板产生冲击,产生较大的作用力与倾覆力矩。因此,充分考虑波浪作用下立柱作用力及附近自由水面变化是浮式海洋平台设计的关键。目前在波浪干涉现象领域已经有了大量研究,Maniar和Newman[1]首先对100根直线排列的圆柱的波浪力进行了研究,发现在某一频率作用下,圆柱所受波浪力显著增大,出现类似准陷波的现象。Evans和Porter[2]研究了波浪作用下柱群内部产生的一阶准陷波现象,并发现准陷波现象发生频率与结构的尺寸和布置形式密切相关,且发现时的波面分布具有明显的对称与反对称特征。OHL[3,4]对规则波和不规则波作用下张力腿平台附近的波浪场变化进行研究。通过数值结果与实验资料的对比,发现通过线性绕射理论获得的数值计算结果和实际情况较为拟合。然而,该工作并没有对复杂的准陷波现象开展深入的研究。后续Hong和Kim[5]、姜胜超[6]等、丛培文[7]和张志刚 [[8]]等对多柱结构准陷波现象展开了更加深入的研究工作。在水槽中圆柱体绕射研究领域中,Ursell[9]和Masashi Kashiwagi[10]分别提出了高效求解圆柱体的二维绕射问题和将水槽中的格林函数分解的方法。Bennett和McIver [[11]]提出了基于波长远小于水槽宽度的平面波近似方法,可以求解任意形状的轴对称体。宁德志[12]将快速多极子展开的方法用于水波问题的计算,基于非线性时域理论,对数值波浪水槽中圆柱周围波面与波浪载荷计算结果与开敞海域进行对比。赵一帆[13]采用源汇分布法,以满足水槽边壁条件的格林函数建立了数值模型,以水槽中座底且穿透水面的等截面柱体为研究对象,并利用波能流守恒关系验证了计算方法的正确性。
在对多柱结构周围波面分布的研究中,通常会采用模型实验的方法,而模型试验往往在水槽中间进行。为了探究边壁效应对准陷波现象的影响,本文基于理想流体假设的势流理论,借助水动力计算软件HydroStar对三维圆柱状浮体的波浪绕射进行分析,研究势流对波浪与四柱结构相互作用问题,分别对有无边壁水槽时四柱结构周围波面特征进行对比,并着重分析了圆柱半径对准陷波现象的影响规律。

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