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原文传递有限深流体中水波与超大型浮式结构物的相互作用

论文题名：	有限深流体中水波与超大型浮式结构物的相互作用
关键词：	海洋工程;超大型浮式结构物;本征函数;展开匹配法;有限深流体;任意形状板
摘要：	近年来，海洋超大型浮式结构物(Very Large Floating Structures，简称VLFS)的研究日益受到重视．VLFS可以用作海上浮动机场，海洋资源开发和加工的海上基地以及军事基地等．目前，很多国家都已积极投入到VLFS技术的研究中.我国有着广阔的海域，近海石油资源丰富，研究发展VLFS技术对我国开发海洋资源，增强国家经济和军事实力都有非常积极的意义．　　对于传统的海洋工程结构物来说，结构的弯曲变形相比于刚体运动要小很多．而海洋超大型浮式结构物具有超大水平尺度，波浪作用下的扰曲变形对周围流场的影响不可忽视，从而结构物的水弹性响应变得十分显著和重要．而且，水弹性响应往往是结构失效(如屈曲和疲劳)的主要原因.在这种情况下，我们需要综合考虑惯性力，水动力和弹性力的联合作用，对结构响应进行水弹性分析. 　　本文针对有限深流体中波浪与厢式超大型浮式结构物的相互作用这一具体问题，主要研究VLFS存在时波浪的散射情况和波浪作用下VLFS的水弹性响应．在一系列假设(理想流体，无旋流场，弹性薄板，小振幅波和忽略刚体运动等)的基础上，我们运用本征函数展开匹配法，求得几个问题频域上的解析解.主要工作包括：　　 1)提出一种与前人不同的计算方法来处理波浪与半无限长弹性板相互作用的问题.该方法利用在通常内积意义下具有正交性的开阔水域垂向本征函数对匹配方程做内积.计算结果表明，相比于前人的做法，我们的方法能更快地计算出波浪的反射系数和透射系数．　　 2)针对真实海洋往往是密度分层的这一特性，我们建立了一个简化的两层模型，来考察分层流体中波浪与半无限长板和有限长板的相互作用．利用级数解和计算结果，我们详细讨论了上下层密度比以及界面位置等代表分层特性的参数对波浪散射和板的水弹性响应的影响，比较了半无限长板和有限长板这两个物理模型的区别．结果表明，半无限板情况下的表面和界面位移幅度与有限板情况不同.随着上下层流体的密度比的增大，表面和界面位移幅度减小.界面位置对表面位移幅度有轻微影响，但是随着上层流体深度增加，界面位移幅度明显下降．基于Green第二公式，我们推导出有限长板情形下的能量守恒关系. 　　 3)考虑了有限深流体中波浪与任意形状薄板的相互作用．以往人们在做解析分析时通常考虑平板的二维问题或圆板的轴对称问题，我们考虑了一个三维问题，推导了板边界条件在极坐标系下相应的解析表达式，并将空间速度势函数表示成径向，角向和垂向本征函数乘积的级数和．为了验证我们的方法，我们对边界条件分别为夹支边，简支边和自由边，攻角分别为0，π/5和π/2的椭圆板做了计算．计算结果表明，具有自由边的椭圆板的响应扰度振幅普遍大于具有夹支边和简支边的椭圆板的响应扰度振幅；对于具有夹支边和简支边的椭圆板来说，总体的水弹性响应几乎不受攻角の的影响；但是对于具有自由边的椭圆板来说，随着攻角の从0增大到π/2，水弹性响应幅度先降低后增大；在板的迎浪前缘附近，波浪的响应较大，后缘和两侧附近都较小；随着与板之间的距离增大，波浪响应逐渐减弱．　　通过本文的工作，我们可以看出，在只考虑结构物的弯曲变形，忽略刚体运动的前提下，运用本征函数展开匹配法可以对超大型浮式结构物的水弹性响应进行基本的分析.海洋超大型浮式结构物受周边波浪影响而产生的水弹性响应是不容忽视的.并且海洋的分层效应也有一定程度的影响.
作者：	许峰
专业：	流体力学
导师：	卢东强
授予学位：	硕士
授予学位单位：	上海大学
学位年度：	2010
正文语种：	中文