[發明專利]基于相長相消的圓柱陣列波浪力曲線計算步長的確定方法

有效

• 申請號: 201810783513.2
• 申請日: 2018-07-17
• 公開（公告）號: CN109726419B
• 公開（公告）日: 2020-08-14
• 發明（設計）人: 曾曉輝;于法軍;孫哲
• 申請（專利權）人: 中國科學院力學研究所
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;G06F30/13
• 代理公司: 北京和信華成知識產權代理事務所(普通合伙) 11390
• 代理人: 胡劍輝

本發明提供了基于相長相消的圓柱陣列波浪力曲線計算步長的確定方法，通過建立由排成一條直線的有限個相同坐底圓柱所組成的圓柱陣列坐標系并確定相關參數，分析波浪入射角等于零和不等于零時各圓柱的左轉繞射波和右轉繞射波情況，得到任意圓柱波浪力曲線在非捕獲區中波動間距描述模型的最終表達式；再以此為基礎確定各區域的計算步長。本發明的預測公式可以在保證精度的前提下減少工作量；本發明的計算步長確定方法可以在不盲目增加不必要計算時間的前提下，得到準確的波浪力曲線。

技術領域

本發明涉及海洋工程領域，特別涉及由大數量穿透水面圓柱組成的圓柱陣列在波浪作用下，利用波的相長相消原理建立任意圓柱所受波浪力的波浪力幅值曲線計算步長的確定方法。

背景技術

占地球表面積71％的海洋中蘊藏著豐富的石油、天然氣等可采資源和風能、波浪能等可供人類長期使用的可再生能源。隨著經濟發展對能源和資源需求的不斷增加，在海洋中拓展生存空間并尋求各種物質和能源供給已經成為明顯趨勢。

無論是進行海洋資源開采，海上空間開發，還是實際利用海洋可再生能源，都需要發展作為載體的海上結構物。這其中有很重要的一類結構物，盡管其上部建筑有所不同，但它們的浮體/支撐結構均是由多個穿透水面的圓柱(即，圓柱陣列)組成。例如，海洋石油平臺，跨海大橋，超大浮體，波浪發電陣列等。隨著經濟社會發展對海洋開發需求的不斷擴大，海洋結構物整體尺度變得越來越大，作為上述海洋結構物浮體/支撐結構的圓柱陣列的規模也隨之增大。圓柱陣列中圓柱的數目從最初的個位數增加到十幾個、幾十個、數百個，甚至可達到上千個。單排坐底圓柱陣列是圓柱陣列的典型型式之一。此處單排坐底圓柱陣列指的是：水平面與各圓柱相交所得圓形橫截面的圓心在一條直線上、從水底不間斷地直通水面并穿透水面延伸向上的圓柱組成的圓柱陣列。水中圓柱陣列所受到的波浪力是決定圓柱陣列設計方案、保證結構安全性的一個關鍵要素，為此，需要掌握波浪力幅值隨無量綱波數變化的規律。

如圖1所示的單排坐底圓柱陣列中任意圓柱上所受波浪力的幅值是隨無量綱波數上下起伏、波動變化的。一般來說，單排較大數量(例如，數量大于9)有限圓柱陣列中單個柱子所受到波浪力的幅值隨波數變化具有三個明顯的特點：1)波浪力幅值隨無量綱波數變化形成的波浪力曲線具有幾個高聳的尖峰，這幾個高聳尖峰所在區域本發明稱為區域I(Region I)；2)在區域I附近，該曲線有若干個逐漸變小的次級峰和谷，這些次級峰的高度均低于區域I的尖峰且波浪力曲線波動間距隨無量綱波數的改變而發生變化，該區域本發明稱為區域II(Region II)；3)在上述兩個區域之外，很多地方具有非常規則的波動性，該區域本發明稱為區域III(Region III)。上述三個區域示意圖如圖2所示。

區域I和區域II與near-trapping有關，本發明稱這兩個區域為“捕獲有關區域”。而區域III，本發明稱其為“非捕獲區”。與捕獲有關的區域I和區域II，國際上已有不少near-trapping的研究發表，對其理解較為深刻。對于非捕獲區，目前還沒有對其波動規律有深入研究，更缺少一種描述非捕獲區波動間距的描述模型。本發明所述波動間距是指：波浪力幅值隨無量綱波數變化形成的波浪力曲線上，相鄰兩個極大值點(或極小值點)橫坐標之間的距離。在本發明中，也用“峰”或“谷”來指代極大值點或極小值點。對非捕獲區波動間距進行描述可以提高設計水平從而有助于以較小的代價延長結構的疲勞壽命。這是因為，考察大量計算結果后發現，波浪力曲線區域III中相鄰峰和谷數值的相對差有時較大，僅從有限數量的計算結果中就可發現，在區域III中這種相對差最大可達20％左右。