【摘要】：當外界擾動頻率與水域本征頻率一樣或接近時會發(fā)生水波共振,產(chǎn)生空間尺度相當可觀的水面振蕩和流場,對港口運營和船舶安全造成不利影響。港口的本征頻率由港口形狀和地形決定,合理的設(shè)計可以降低港口本征頻率與當?shù)厝肷洳l率匹配的可能性,從而減小港灣振蕩的危害。因此,港灣振蕩的研究對港口設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。本文基于拓展型緩坡方程和Boussinesq方程對港口的本征頻率和振蕩模態(tài)進行了研究。拓展型緩坡方程采取有限元方法求解,可以模擬復(fù)雜的港池邊界,在本文中用于快速計算港口對不同頻率規(guī)則波的響應(yīng)特性。著名的開源程序Funwave2.0模型是基于完全非線性Boussinesq方程開發(fā)的,在本文中用于考慮非線性對港灣振蕩的影響。上述數(shù)值模型在本文中都通過解析解和模型實驗數(shù)據(jù)進行了驗證。在此基礎(chǔ)上本文做了如下研究:(1)采用緩坡方程和Boussinesq方程模擬了港灣振蕩中的極端模態(tài)現(xiàn)象,研究了極端模態(tài)的形成機理、極端模態(tài)之間的差異以及非線性對極端模態(tài)的影響等問題。結(jié)果表明,由于極端模態(tài)形成的流場的特殊性,能量只能以非常慢的速率在港內(nèi)積蓄,因而響應(yīng)時間十分漫長。極端模態(tài)之間的差異由港口形狀決定,港口越封閉,極端模態(tài)的響應(yīng)越劇烈。非線性可以顯著地降低了極端模態(tài)的響應(yīng),并減少其達到穩(wěn)態(tài)的時間。(2)采用緩坡方程模擬了變水深細長港和半圓形常水深海灣聯(lián)結(jié)而成的耦合港池的港灣振蕩現(xiàn)象。結(jié)果表明,半圓形海灣的存在改變了入射波況和細長港的輻射阻尼從而影響了細長港的共振特性。相關(guān)性分析表明,當海灣與細長港水體體積之比遠大于2.5時,海灣在耦合振蕩中占主導(dǎo)地位,聯(lián)結(jié)處和細長港的響應(yīng)曲線在強度和變化趨勢上都有明顯的正相關(guān)關(guān)系。反之,細長港和海灣在耦合振蕩中處于平等地位,響應(yīng)曲線之間只在強度上表現(xiàn)出正相關(guān)關(guān)系。(3)基于緩坡方程有研究了組合矩形港池的振蕩特性,探討了不同組合方式港池的響應(yīng)曲線和模態(tài)的變化。結(jié)果表明,拓展港池使得港口特征尺度變大,沿著主尺度振蕩的模態(tài)的本征頻率會變小。正常模態(tài)可能會轉(zhuǎn)變?yōu)闃O端模態(tài),反之亦然;由于極端模態(tài)在現(xiàn)實中很難得到發(fā)展,因此正常模態(tài)轉(zhuǎn)化為極端模態(tài)是有利的影響;想要合理地評估港灣振蕩的實際危害,必須以加權(quán)形式考慮當?shù)厝肷洳ɡ瞬艿念l率分布。比如港口對某些頻率段的波浪有著非常弱的響應(yīng),通過合理設(shè)計使得這些頻率段與當?shù)夭ㄒ叵嗥ヅ?可以很好地改善港內(nèi)泊穩(wěn)條件。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：U653.3

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本文編號：2756672