極地地區地理位置特殊、資源豐富，全球變暖使極地航道有望成為重要的國際運輸干線，極地船舶與海洋結構物的設計研發工作需要更深入的基礎研究。本書以勢流理論為基礎，基于流域分解法，利用邊界元法，以單冰間航道、多冰間航道、非凍結港口、冰層覆蓋凍結港口四種典型極地冰區限制水域為例，進行了極地冰區限制水域海洋結構物水動力、波動模擬匹配計算方法的深入研究與介紹，旨在為極地冰區水動力學研究提供相關理論依據，使讀者對典型極地冰況下浮體極地航道港口的水動力載荷求解方案有所掌握，為極地作業海洋結構物的設計制造提供堅實技術支撐。
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 國內外研究現狀 4
1.2.1 水波、海冰相互作用 4
1.2.2 水波、海冰與結構物相互作用 10
1.2.3 小結 13
1.3 本書主要研究工作 14
第2章 基于勢流理論的冰區流場定解問題 18
2.1 概述 18
2.2 流域基本方程 18
2.2.1 基本假設 18
2.2.2 坐標系定義 18
2.2.3 流域方程 19
2.3 自由面邊界條件 19
2.3.1 運動學條件 20
2.3.2 動力學條件 20
2.4 海冰覆蓋邊界條件 20
2.4.1 海冰覆蓋層水表面運動學條件 21
2.4.2 海冰覆蓋層水表面動力學條件 21
2.4.3 海冰側表面邊界條件 25
2.4.4 海冰的端點邊界條件 25
2.5 其他邊界條件 25
2.6 穩態解與邊界條件的線性化 26
2.7 色散方程 27
2.7.1 自由面流域色散方程 27
2.7.2 海冰覆蓋流域色散方程 28
2.8 邊界積分方程與Green函數解法 28
2.9 流域分解 29
2.10 本章小結 29
第3章 冰間航道船舶橫切片水動力計算方法 30
3.1 概述 30
3.2 冰間航道流場的數學描述 30
3.2.1 分域模型建立與坐標系定義 30
3.2.2 基本方程與邊界條件 31
3.3 各子域的數學推導與處理 32
3.3.1 二維冰域內的級數展開 32
3.3.2 二維冰域內的邊界積分方程 33
3.3.3 自由面流域內Green函數法 35
3.4 子域交界面上的匹配處理 36
3.5 數值離散 38
3.6 二維浮體水動力系數與運動方程 38
3.7 二維冰間航道浮體水動力程序驗證與數值計算 39
3.7.1 有效性驗證 39
3.7.2 冰吃水對水動力的影響 44
3.7.3 結構物尺度比對水動力及運動響應的影響 50
3.8 本章小結 54
第4章 多冰間航道水波散射近似計算方法 56
4.1 概述 56
4.2 多冰間航道流場的數學描述 56
4.2.1 問題描述與坐標系建立 56
4.2.2 基本方程與邊界條件 57
4.3 流域分解匹配 58
4.3.1 第一種流域分解匹配方式 58
4.3.2 第二種流域分解匹配方式 61
4.4 基本解的由來 63
4.4.1 第一種流域分解的基本解 63
4.4.2 第二種流域分解的基本解 63
4.5 多冰間航道內水波散射程序的驗證與分析 64
4.5.1 近似方法的適用性和準確性 65
4.5.2 多個相同子域內的水波散射特性 66
4.5.3 海冰長度對多冰間航道的影響 73
4.5.4 冰間航道寬度對多冰間航道的影響 75
4.5.5 非均勻多冰間航道模擬 76
4.6 本章小結 79
第5章 三維開敞港口內浮體水動力計算方法 80
5.1 概述 80
5.2 無冰港口航道內流場的數學描述 80
5.2.1 模型分域與坐標系的建立 80
5.2.2 流域方程與邊界條件 81
5.3 兩個子域內的數學推導 82
5.3.1 港口內域邊界積分方程的建立 82
5.3.2 港口外域邊界積分方程的建立 83
5.4 內外域的匹配與離散 84
5.5 三維浮體水動力和運動方程85
5.6 三維無冰港口浮體水動力程序驗證與數值分析 86
5.6.1 有效性驗證 86
5.6.2 水動力系數的振蕩特性 89
5.6.3 浪向角對浮體的影響 97
5.6.4 浮體停靠位置對浮體的影響 100
5.6.5 限制水域地形對浮體的影響 105
5.7本章小結 110
第6章 三維冰層覆蓋港口散射波浪場計算方法 111
6.1 概述 111
6.2 冰層覆蓋港口流場的數學描述 111
6.2.1 模型分域與坐標系定義 111
6.2.2 流域方程與邊界條件 112
6.3 兩個子域內的數學推導 114
6.3.1 內域速度勢級數展開與邊界積分方程的建立 114
6.3.2 側向固壁條件的處理 115
6.3.3 外域邊界積分方程的建立 116
6.4 連續性條件的處理 117
6.5 數值離散 119
6.6 三維冰層覆蓋港口水波散射程序驗證與數值計算 119
6.6.1 有效性驗證 120
6.6.2 冰厚對海冰覆蓋港口的影響 122
6.6.3 浪向角對海冰覆蓋港口的影響 127
6.6.4 冰層覆蓋港口流域散射分布特性 130
6.7 本章小結 137
參考文獻 139
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