【摘 要】
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伴随着经济的飞速发展,陆地资源日渐枯竭,海洋成为了油气资源开发的重中之重。南海海域蕴藏着丰富的油气资源,成为我国海洋油气开发的主要区域。在南海海域,由于地形复杂,水体层化特征明显,内孤立波普遍存在。内孤立波往往振幅较大,携带能量较强,持续时间久,传播过程中会诱发突发性强流,严重时会导致钻井平台的大幅运动,因此对于海洋工程结构存在巨大威胁。本文研究内孤立波在斜坡地形上传播过程中的变形及流场变化情况,
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伴随着经济的飞速发展,陆地资源日渐枯竭,海洋成为了油气资源开发的重中之重。南海海域蕴藏着丰富的油气资源,成为我国海洋油气开发的主要区域。在南海海域,由于地形复杂,水体层化特征明显,内孤立波普遍存在。内孤立波往往振幅较大,携带能量较强,持续时间久,传播过程中会诱发突发性强流,严重时会导致钻井平台的大幅运动,因此对于海洋工程结构存在巨大威胁。本文研究内孤立波在斜坡地形上传播过程中的变形及流场变化情况,可对海洋平台、油气管道的结构设计及布置等提供重要参考,具有较强的工程应用价值。本文基于N-S方程及Kd V系列内孤立波理论模型,采用速度入口造波法,人工阻尼加数值耗散消波方法,VOF方法捕捉内界面,通过对商业软件STAR-CCM+的二次开发构建了两层流体内孤立波数值水槽。对速度入口造波法的三种速度入口给定方法进行了对比研究,结果发现:相比于仅给定分层流体速度,或指定流体速度并监测边界水位两种方法,在入口指定两层流体速度的同时,以体积分数形式给出边界水位的方法模拟的实测波形与理论波形更加吻合,振幅更接近目标振幅,受内孤立波理论极限振幅的限制较小,可应用的振幅范围更广。基于这一速度入口方法,通过对数值实验结果函数拟合实现了造波振幅可控。利用建立的数值水槽,选取了无地形、直角台阶地形、斜坡台阶地形三种情况进行数值模拟对比,验证了本文建立的数值水槽对于研究内孤立波与地形作用问题的准确性及适用性。建立实尺度大振幅内孤立波数值水槽,模拟了无地形时内孤立波的传播,分析了内孤立波的流场结构。对比了不同振幅下实测波形与各类理论波形的吻合情况,确定了各类内孤立波理论模型的适用振幅范围。采用南海流花海域实际观测的内孤立波参数,研究了内孤立波在不同坡度的斜坡上传播时的波面及流场特性。结果表明:内孤立波在斜坡上传播过程中,前半波形逐渐变缓而后半波形逐渐变陡,上层流体水平速度减小,下层流体水平流速增加。入射波振幅与斜坡下游下层水深之比小于0.5时,内孤立波不发生破碎,爬坡完成时出现上凸波峰,近底面水平流速达到最大,可达爬坡前速度的1.5~2.5倍。入射波振幅与斜坡下游下层水深之比大于0.5时,内孤立波在斜坡作用下发生破碎,坡度越大,破碎位置越早,破碎强度越大,流体混合掺混区域越大;在坡上破碎后近底面水平流速达到最大,可达与斜坡作用前的1.7~2.8倍。
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