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海洋工程建筑物中存在大量的圆柱型结构,如海洋平台和超大型浮式结构物的立柱等。如何准确分析并预报这些贯穿水面的圆柱或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。由于海洋环境中波浪与海流同时存在,单独考虑波浪的作用已不能满足工程设计的要求。对于波浪和海流共同作用下圆柱群的水动力分析尚有不少问题值得探讨,目前的研究多集中在基于Green函数的数值方法。在分析数目众多的圆柱群时,数值方法的计算效率远低于解析方法,有时还会计算失败。为此,本文发展了解析计算方法,研究圆柱群在波、流共同作用下的绕射辐射问题。本文基于势流理论,讨论了低速均匀流下波、流、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,依次求解前两阶定解问题。基于特征函数展开发展出了解析计算方法,并据此讨论了波流共同作用下圆柱群绕射-辐射问题的水动力特征,包括绕射激振力、波面升高以及波漂力、波漂阻尼系数等。主要内容包括:
⑴以坐底单柱为基础,采用解析方法详细分析了波流共同作用下的绕射辐射问题。引入考虑柱群间水动力相互作用的精确代数理论,将单柱问题推广至柱群。计算了坐底单柱与四柱的绕射-辐射水动力特性,与已有结果吻合良好,并进一步讨论了入射角、流速、柱间距等参数对绕射辐射问题的影响。
⑵采用边界连续匹配思想分析截头圆柱速度势,得到了允许纵横、横荡运动的截头单柱和柱群的波流绕射辐射水动力,并讨论了相关参数对其影响,发现考虑辐射问题后,水动力随吃水变化显著,不可忽略辐射带来的影响。
⑶针对截头六柱的浮式立柱模型,在波流共同作用下进行绕射辐射分析,得到了有意义的结论,显示出本文发展的解析方法在分析大型多柱结构时的高效性。
⑷通过研究发现,考虑纵荡、横荡运动模态的圆柱群的一阶波浪力、二阶慢漂力等水动力特征受海流影响显著,与纯波浪作用下的线性问题有明显差别,在工程设计中考虑海流的影响是必要的。