波浪作用下多体结构系统的窄缝水动力共振研究

在海洋工程结构物进行联合作业的过程中以及超大型海洋结构物的内部往往会存在一些狭窄的缝隙，在特定的入射波频率下，缝隙内的流体会发生大幅振荡运动，同时结构单体上的波浪力也会产生显著的变化，形成水动力共振现象。本项目将首先对正向与斜向、规则与不规则波浪作用下的窄缝水动力共振问题开展室内物理模型实验研究，观测水动力共振的发生条件以及相应的共振波高和波浪力；其次将建立和发展能够准确计算缝隙内剧烈波高变化和结构物受力的远场势流-近场粘性流耦合的高精度三维数值波浪水池，并利用该模型在机群环境下开展大规模数值试验工作；通过对模型实验数据和高精度数值计算结果的全面总结与分析，揭示复杂波况下窄缝内流体共振的发生条件以及相应的共振波高和波浪力对入射波要素和结构系统特征等的依赖关系；最后构建窄缝内流动阻尼的近似公式，并将其引入到势流控制方程中，利用比例边界有限元方法建立可满足工程需要的快速三维近似势流分析模式。

本项目针对波浪作用下毗连多浮体结构窄缝间的水动力共振问题开展研究，其中的关键科学问题是：传统势流理论在求解一些机械能损耗起重要作用的共振问题时，虽然可以准确获得关于共振频率的预测结果，但对于共振响应幅值往往给出过高的估计。其根本原因在于传统势流理论在流动无旋假设的基础上，还忽略了流体的粘性，从根本上否定了考虑流动过程中的机械能损耗的可能性。本项目研究工作以具有代表性的窄缝流体共振问题为切入点，从理论分析、模型试验和数值计算的不同角度开展工作。首先，针对具有狭窄缝隙的固定方箱结构开展了室内水槽实验，给出了不同入射波频率和入射波波高作用下，窄缝内流体共振响应幅值随入射波频率、缝隙宽度、吃水深度等的变化规律；对并联船体模型开展了三维水池试验，考虑了波浪入射角度、吃水深度的影响；建立和完善了基于Navier-Stokes方程的有限元数值求解、内源造波、阻尼消波和CLEAR-VOF自由表面捕捉技术的数值波浪水槽。经过与试验资料的对比、验证，表明该模型就有良好的计算精度，可准确模拟缝隙内的共振波高；提出和建立了在势流模型自由表面边界条件引入人工阻尼的数值模型，通过模型试验数据和粘性流模拟结果对阻尼系数进行率定，可用于窄缝共振问题的快速分析；通过理论分析，结合振荡边界层理论给出了阻尼系数的显示解析表达式；从粘性流体能量方程的耗散率函数出发，对势流自由表面阻尼项的物理意义进行了全新的解释，通过数值计算手段在定量上证明了自由表面阻尼与流动过程中的机械能损耗的一致性。.在本项目的资助下，共发表学术研究论文篇18篇，其中项目负责人以第一作者和通讯作者在Physics of Fluids\ Applied Ocean Research\ Ocean Engineering\ Science China 等重要学术刊物上发表SCI检索论文6篇，EI检索论文13篇；获得省部级二等奖1项（项目负责人排名第3）；获得国家发明专利2项（项目负责人分别排名第1、第2）。