柱间有相对运动圆柱群的绕射辐射分析

• 作 者: 梁荣娣
• 机 构: 中国科学院大学
• 出 处: 中国科学院研究生院 中国科学院大学
• 发表日期: 2011年期
• 关键词: 海工建筑 圆柱群结构 波流运动 水动力载荷

圆柱群是进行海洋开发时经常采用的一类主要结构，如波浪发电振子单元和超大型浮式结构物的立柱等，而这些海洋工程结构中存在有圆柱之间的相对运动问题，如何准确分析并预报柱间有相对运动圆柱群的水动力载荷，关系到结构物的设计和校核，具有重要意义。无论是波浪单独作用还是波流共同作用于圆柱群，目前的研究多集中在把圆柱群作为一个整体来分析，此时柱间是无相对运动的，这并不适用于柱间有相对运动的海工结构。为此，本文研究柱间有相对运动圆柱群的绕射辐射问题。　　
本文在势流理论框架下，采用基于特征函数展开的解析计算方法，讨论了低速均匀流下波、流、柱间有相对运动圆柱群之间的相互作用。在应用摄动方法求解波浪速度势边值问题的基础上，引入表征流速的小参数，将速度势控制方程和非线性的边界条件逐阶摄动展开，求解一阶线性定解问题。进而讨论了柱间有相对运动圆柱群绕射辐射问题的水动力特征，包括绕射激振力、辐射力、振动幅值以及波面升高等。首先，针对给定圆柱群中各柱的运动模态和振幅时的波浪辐射问题，应用特征展开法，分析了各柱之间有相对运动时的水动力相互作用。计算了单独给定坐底柱群或截头柱群中某圆柱某方向运动时的水动力特性，与已有结果吻合良好，并进一步计算给定柱群中多个圆柱多个运动模态时的波浪辐射问题。其次，分析了波浪作用引起的柱间有相对运动的坐底、截头圆柱群的绕射辐射问题。截头柱群分为内外域，并将内外域在边界上匹配，得到了允许各柱有相对纵荡、横荡和垂荡运动的波浪绕射辐射水动力。并与整体运动进行对比，发现考虑柱间的相对运动后，水动力在某些波数下变化显著。进一步讨论了入射角、柱间距等参数对绕射辐射问题的影响。最后，在波浪入射的基础上，考虑海流的作用，讨论了柱间有相对运动坐底、截头圆柱群的绕射辐射问题，得到了波流共同作用下多种工况的不同结果，并对比分析总结了变化趋势。通过研究我们发现，考虑纵荡、横荡运动模态的有相对运动的圆柱群的一阶辐射力、波流耦合力等水动力特征受海流影响显著，与无相对运动圆柱群和纯波浪作用下的线性问题有明显差别，在工程设计中考虑柱间相对运动和海流的影响是必要的。