【技术实现步骤摘要】
基于绕射理论的圆柱阵列波浪力曲线计算步长确定方法
本专利技术涉及海洋工程领域，特别涉及由较大数量穿透水面圆柱组成的圆柱阵列在波浪作用下，基于绕射理论的任意圆柱所受波浪力的波浪力幅值曲线计算步长确定方法。
技术介绍
占地球表面积71％的海洋中蕴藏着丰富的石油、天然气等可采资源和风能、波浪能等可供人类长期使用的可再生能源。随着经济发展对能源和资源需求的不断增加，在海洋中拓展生存空间并寻求各种物质和能源供给已经成为明显趋势。无论是进行海洋资源开采，海上空间开发，还是实际利用海洋可再生能源，都需要发展作为载体的海上结构物。这其中有很重要的一类结构物，尽管其上部建筑有所不同，但它们的浮体/支撑结构均是由多个穿透水面的圆柱(即，圆柱阵列)组成。例如，海洋石油平台，跨海大桥，超大浮体，波浪发电阵列等。随着经济社会发展对海洋开发需求的不断扩大，海洋结构物整体尺度变得越来越大，作为上述海洋结构物浮体/支撑结构的圆柱阵列的规模也随之增大。圆柱阵列中圆柱的数目从最初的个位数增加到十几个、几十个、数百个，甚至可达到上千个。单排坐底圆柱阵列是圆柱阵列的典型型式之一。此处单排坐底圆柱阵列指的...
【技术保护点】
1.基于绕射理论的圆柱阵列波浪力曲线计算步长确定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤100，将波浪力幅值随无量纲波数变化形成的波浪力曲线中的多个高耸尖峰所在区域作为区域I，将高耸尖峰附近低于所述高耸尖峰且曲线波动间距随无量纲波数改变而变化的次级峰和谷所在区域作为区域II，将排除区域I和区域II后的波浪力曲线作为区域III；步骤200，建立由排成一条直线的有限个相同坐底圆柱所组成的圆柱阵列的整体坐标系，列出坐底圆柱阵列水波绕射问题中任意圆柱附近的速度势表达式，速度势表达式中由线性方程组确定的未知系数称为绕射系数，由于绕射系数幅值随无量纲波数变化形成的绕射系数曲线与波浪力幅值随...
【技术特征摘要】
1.基于绕射理论的圆柱阵列波浪力曲线计算步长确定方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤100，将波浪力幅值随无量纲波数变化形成的波浪力曲线中的多个高耸尖峰所在区域作为区域I，将高耸尖峰附近低于所述高耸尖峰且曲线波动间距随无量纲波数改变而变化的次级峰和谷所在区域作为区域II，将排除区域I和区域II后的波浪力曲线作为区域III；步骤200，建立由排成一条直线的有限个相同坐底圆柱所组成的圆柱阵列的整体坐标系，列出坐底圆柱阵列水波绕射问题中任意圆柱附近的速度势表达式，速度势表达式中由线性方程组确定的未知系数称为绕射系数，由于绕射系数幅值随无量纲波数变化形成的绕射系数曲线与波浪力幅值随无量纲波数变化形成的波浪力曲线的波动特性和波动间距一致，因此对波浪力曲线的研究转化为对绕射系数曲线的研究；针对确定绕射系数的线性方程组采用克莱姆法则求解，用上述线性方程组右端列向量替换该线性方程组左端系数方阵相应的列然后得到目标方阵行列式；步骤300，忽略高阶小量得到目标方阵行列式模的平方表达式；忽略平方表达式中随无量纲波数缓慢变化的慢变函数，得到与波动间距分析密切相关的目标表达式；对目标表达式求一阶导数，令该一阶导数为零，得到超越方程；步骤400，利用超越方程分别推导波浪入射角等于零和不等于零时任意圆柱波浪力曲线在区域III中的波动间距表达式，然后根据该波动间距表达式计算出区域III中的最小波动间距，以该最小波动间距作为波浪力曲线在区域III中计算步长的上限，根据不同精度要求将最小波动间距除以相应的自然数作为区域III中计算步长的下限，从而得到区域III的计算步长；步骤500，根据所需精度要求将区域III的最小波动间距除以相应精度要求对应的自然数，得到区域II中的计算步长；根据所需精度要求将区域III的最小波动间距除以相应精度要求对应的自然数，得到区域I中的计算步长。2.根据权利要求1所述的基于绕射理论的圆柱阵列波浪力曲线计算步长确定方法，其特征在于，所述区域III的自然数取值范围在2～10之间，所述区域II的自然数取值范围在5～10之间，所述区域I的自然数取值范围在40～50之间；当所述区域III的计算步长取五分之一的区域III最小波动间距，所述区域II的计算步长取十分之一的区域III最小波动间距，所述区域I的计算步长取五十分之一的区域III最小波动间距时，波浪力曲线的计算精度达到相对误差在1％以内。3.根据权利要求1所述的基于绕射理论的圆柱阵列波浪力曲线计算步长确定方法，其特征在于，所述步骤200中的速度势表达式如下：其中，为绕射系数，k为圆柱阵列中任意一根圆柱的编号，编号k增大方向与x轴正方向保持一致，(rk,θk)为垂直轴z轴通过k柱轴线的局部圆柱坐标系的极坐标，Zn＝J′n(Ka)/H′n(Ka)，K为波数，a为圆柱半径，Jn为第一类贝塞尔函数，Hn是第一类汉克尔函数，n为整数。4.根据权利要求3所述的基于绕射理论的圆柱阵列波浪力曲线计算步长确定方法，其特征在于，求解所述速度势表达式中绕射系数的线性方程组如下：其中，β为波浪入射角，是由平面入射波传播方向与圆柱阵列整体坐标系中x轴正方向形成的夹角，且整体坐标系的建立使波浪入射角β≤π/2，K为波数,Rjk为第k个柱子轴线到第j个柱子轴线的距离，i为虚数单位，m为整数,N为圆柱阵列中的圆柱总数，αjk为第k个柱子到第j个柱子的方向角，Ik为入射波在第k个柱子的相位因子；利用克莱姆法则求解上述线性方程组后得到的绕射系数如下：其中，D为所述线性方程组中系数方阵的行列式，为用所述线性方程组的右端列向量替换系数方阵对应列得到的目标方阵行列式。5.根据权利要求4所述的基于绕射理...
【专利技术属性】
技术研发人员：曾晓辉，于法军，孙哲，史民，
申请(专利权)人：中国科学院力学研究所，中国科学院大学，
类型：发明
国别省市：北京,11
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