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原文传递柔性水囊潜堤消波特性的试验与数值模拟研究

论文题名：	柔性水囊潜堤消波特性的试验与数值模拟研究
关键词：	柔性水囊潜堤消波特性;防波堤;流固耦合;浸没边界法
摘要：	随着海洋生态文明建设的推进，传统的重力式防波堤难以满足环境友好及可持续发展的需要。柔性水囊潜堤因具有安装拆除便捷、建造成本低、不影响水体交换等优势，此外其在波浪力的激励下发生运动，产生的辐射波与入射波相互叠加，能够获得优于刚性潜堤的消波效果，因此柔性水囊潜堤有望成为海上工程临时防护措施的重要手段之一。波浪与水囊结构的相互作用过程涉及复杂流场和强非线性结构动力响应耦合现象，而现有研究通常基于势流理论，难以准确求解耦合流场中的涡旋演化和结构强非线性变形。本文通过物理模型试验与计算流体力学数值模拟相结合的方式，开展柔性水囊潜堤的波浪透反射系数、波浪能量、涡量场、运动响应和内部压力的研究，以期阐明其消波机理，为海岸工程防灾减灾提供技术支撑。论文的主要工作如下：　　（1）开展规则波与柔性水囊潜堤相互作用的物理模型试验研究。探索不同充盈度（水囊内部水体积与总容积之比）柔性水囊潜堤的消波效果。试验记录波面高度、水囊潜堤的变形和水囊内部压力变化，通过综合分析波浪透射与波浪能量转化，明晰消波效果最优的充盈度范围。结果表明，柔性水囊潜堤消波效果最优的充盈度范围为88%～94%，波浪透射相对刚性潜堤大幅降低。并且本文进一步从透射波能量成分的角度进行分析，发现波浪能量由基频向高阶频率转移是水囊潜堤降低透射波高的主要途径。　　（2）开展规则波与柔性水囊潜堤的数值模拟研究。基于粘性流理论的FDM-FEM流固耦合数学模型，数值再现波浪-膜结构运动响应的过程，并与试验结果进行对比，验证数值方法的准确性和可靠性。通过对涡量场的演化规律、结构响应、内压变化规律进行定性与定量的分析，探究柔性水囊潜堤的消波机理，总结波浪与柔性水囊潜堤共振的特征。研究发现，在最优充盈度范围内，92%充盈度的水囊与中长波发生共振，共振时水囊潜堤的消波效果显著提高。分别从水动力、结构响应、流固耦合运动过程方面，总结共振响应的特性：波浪能量由基频向高阶转移；运动响应幅度显著增大；波浪与结构物的相对运动，呈现出介于波峰与水囊突起同步和完全相反两种状态之间的过渡状态。　　本文的主要研究贡献是，在前人研究发现的不充盈水囊潜堤相对于全充盈水囊潜堤具有较好的消波性能的基础上，进一步总结得出不充盈水囊潜堤具体的最优消波充盈度范围，揭示共振响应可显著提高水囊潜堤的消波性能的普适规律，阐明共振响应在流场、结构、流固耦合响应三个方面的特征，为工程设计中对共振响应的利用提供参考。另外，本文试验监测水囊潜堤工作时的内压，并总结出内压的变化规律与范围，可为工程中柔性水囊潜堤的安全设计提供依据。
作者：	周雨薇
专业：	船舶与海洋工程
导师：	赵西增
授予学位：	硕士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2022