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海洋开发是人类经济生产生活中的重要组成部分,目前经济的发展越来越依靠对于海洋的开发与利用。圆柱群是进行海洋开发工程所需利用的主要结构物之一,很多海洋结构物的浮体部分是由圆柱群构成。根据具体用途不同,圆柱群可以归类为“圆柱之间不存在相对运动”与“圆柱之间存在相对运动”这两种。
很多处于深海中的圆柱体可以模型化为截头圆柱体,截头圆柱群是许多海洋浮式结构的主要组成部分。目前对于圆柱间存在相对运动圆柱群的水动力问题研究很少。为此,本文针对有相对运动截头圆柱群阵列,分析了截头圆柱群做任意运动模态给定运动以及波浪入射下的水动力响应情况。
在势流理论框架下,考虑圆柱间相互作用,引入Bessel加法定理求解截头柱群6个运动模态的水动力。针对波流共同作用的情况,本文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。
截头圆柱体存在6个运动模态,并且各个模态之间有相互耦合的作用。由于首摇运动关于轴心对称,不存在水动力响应,因此考虑了除首摇外的其它5个运动模态。我们采用特征展开法研究各柱做不同辐射运动时截头直立圆柱群的水动力相互作用。首先计算了波浪场中,给定柱群中某个或某些柱子辐射运动,计算水动力响应。其次,在入射波的作用下,截头圆柱群阵列产生不同运动模态的水动力响应,计算了柱群的位移,水动力,波高以及压力分布。第三,在波流共同作用下,计算了截头柱群在纵荡以及横荡运动下的水动力系数。考察了柱群随不同入射角,不同流速以及不同间距的变化响应。以上结果均与退化情况下的已知结果吻合良好。
我们通过研究发现,截头柱群的5个运动模态相互耦合作用明显,横摇和纵摇方向上产生的水动力响应对其它3个方向影响巨大,因此在计算此类问题中,我们要将所有运动模态考虑在内。