基于MATLAB的三维海浪模型数值仿真

来源:用户上传      作者: 齐宁　夏天　李文岩　赵立光

　　摘要：海洋工程领域中的浮式结构物设计，需要精确计算海浪载荷，保证满足稳定性和安全性。该文利用MATLAB对Longuet-Higgins长峰波海浪模型和三维不规则短峰波随机海浪模型进行了仿真研究。结果表明，利用海浪谱来模拟三维随机海浪能够得到比较精确的海浪波面图和波高值，进一步根据流体的势流理论就可以分析计算出该结构物受到的海浪载荷，为校验结构物的结构强度提供了必要的基础。
　　关键词：海洋工程；浮式结构物设计；三维海浪模型；数值仿真
　　中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）25-5737-03
　　海洋工程领域中的浮式结构物在海域展开应用时，会不可避免地遭遇各种恶劣海况。浮式结构物受到海浪产生的绕流力、惯性力、冲击力、浮托力等作用，这些作用直接关系到结构物的生存安全。因此在浮式结构物设计时，必须要充分考虑海浪的影响，精确计算海浪载荷，校验和优化结构，研究浮式结构物的耐波性和稳性，保证其满足设计要求的稳定性和安全性。
　　目前评估海浪载荷对浮式结构物的影响主要采用物理模型试验的方法，然而这种方法费时费力，而数值模拟具有参数设置灵活、计算结果精确等优点，正逐步成为设计领域研究海浪载荷的重要手段。由于受到计算机硬件发展水平和波浪理论不成熟等的制约，早期的海浪数值仿真主要以二维为主，但是对于需要研究海浪和浮式结构物相互作用过程中产生的波浪折绕射、漩涡等现象时，显然不能满足工程的需要。因此研究三维海浪数值模型，实现对海浪现象更加真实准确的描述，是海上复式结构物设计领域中研究海浪和结构物相互作用的必然发展方向。
　　本文利用谱分析的方法，在MATLAB环境下对三维随机海浪模型进行了数值模拟仿真，并给出了三维随机海浪波面图，为浮式结构物设计中计算海浪载荷提供了参考。
　　1 Longuet-Higgins长峰波海浪模型
　　2 三维不规则短峰波随机海浪仿真
　　2.1 基于谱分析的三维不规则短峰波随机海浪模型
　　该仿真海浪中，最大波高[Hmax=3.32m]，根据标准浪级波高的参考值[3]，五级浪对应的波高范围为[2.5，4.0m]，最大波高[Hmax]位于允许的波高范围内，说明利用海浪谱来模拟三维随机海浪能够得到比较精确的海浪波面图和波高值。进一步根据流体的势流理论就可以分析计算出该结构物受到的海浪载荷，为校验结构物的结构强度提供了必要的基础。
　　3 结论
　　海上浮式结构物结构强度校验需要计算分析海浪载荷，该文利用海浪谱分析的方法，实现了在开阔海域主要由风力引起的海浪的模拟，该仿真海浪的波面图和波高符合标准浪级波高的参考值。进一步利用流体的势流理论就可以分析计算出结构物受到的海浪载荷，为进一步的结构强度校核提供基础。
　　参考文献：
　　[1] 俞聿修.随机波浪及其工程应用[J].大连理工大学出版社，1992.
　　[2] Khatri S K. In the search of a coastal ocean wave model. OCEANS 97， MTS/IEEE Conference Proceedings， 1997， 213-218.
　　[3] Kinsman B. Wind waves. Prentice Hall In.， 1965.
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