基于CFD方法的浮体结构与波浪-水流-地震复合效应相互作用的流固耦合仿真

《Ocean Engineering》：Fluid-structure interaction simulation of floating structure interacting with the combined effect of wave-current-earthquake based on CFD method

浮式结构在波浪-洋流-地震多灾害耦合作用下的流体-结构相互作用机理及计算模型研究。摘要：基于CFD方法开发了二维全耦合流体-结构相互作用模型，采用RANS方程和k-ε湍流模型，通过ANSYS Fluent实现波浪-洋流-地震多场耦合作用下的浮式结构动态行为模拟，重点分析多灾害耦合效应下的波浪爬高和流体压力分布规律，提出子结构分析方法以提升计算效率，为地震活跃海域浮式结构设计提供理论支撑。

　　随着全球海洋资源开发的加速，新型浮动结构如海上平台和浮动风力涡轮机正迅速向深水和大规模方向发展。这些浮动结构在复杂的海洋动态环境中运行，不仅要承受常规的环境载荷（如波浪和洋流），还要面对地质活动区域中的地震威胁。值得注意的是，地震激励不仅通过惯性效应放大结构的动态响应，还通过流体-结构相互作用机制对浸没部件产生复杂的附加质量效应和水动力压力。这种波浪-洋流-地震多物理场耦合现象导致了累积载荷增强特性，成为影响浮动系统结构完整性的关键科学挑战。

现有的研究在描述浮动结构在单一环境激励条件下的行为方面取得了显著进展。然而，在波浪-洋流-地震耦合激励机制方面，仍存在显著的知识空白。当前对海洋流体-结构相互作用（FSI）的研究主要集中在水动力载荷场景，其中波浪-洋流效应是重点。一些研究通过实验模型对这些相互作用进行了深入分析，例如在波浪-洋流水槽中利用缩尺物理模型重现相关现象。此外，数值模拟方法利用专门的计算工具来解析波浪-洋流耦合机制，而实验研究则通常通过物理模型来模拟。在过去二十年中，势流理论在波浪-洋流-结构相互作用（WCSI）的数值建模中占据主导地位，一些代表性研究包括使用三维数值波浪水槽进行非线性波浪-洋流相互作用分析，以及开发新型二维边界元方法（BEM）框架来系统量化洋流对波浪运动的影响。

在地震活跃区域，浮动结构除了受到波浪和洋流的影响，还会受到地震的额外作用。地震激励导致的水动力压力和结构的惯性力相结合，进一步增加了结构受损的可能性。分析进展包括对压缩流体中水动力压力的基础研究，以及对任意截面的附加质量公式进行推广，以及对水的可压缩性、自由表面动力学和海底吸收效应进行系统研究。尽管有研究尝试通过时间域方法对传统的三维无限水模型进行替代，但对地震与波浪耦合效应的研究仍处于初步阶段，尤其是在地震垂直加速度对海底驱动水动力压力的影响方面，这一机制在浮动系统设计中至关重要，但尚未得到充分研究。

流体-结构相互作用（FSI）在波浪、洋流和地震共同作用下的耦合机制非常复杂。线性波浪理论无法考虑流体中的复杂非线性效应，而由于尺度效应，水下振动台试验难以准确反映真实海洋环境中的FSI现象。目前，计算流体力学（CFD）技术是模拟FSI的有效方法，该方法已被广泛用于解决在波浪、洋流和地震载荷下的流体-圆柱体相互作用问题。

本研究采用CFD方法，对浮动结构在多灾害载荷条件下的动态行为进行了计算分析，整合了水动力（波浪和洋流）和地震（垂直地面运动）载荷。研究重点考察了这些载荷对浮动结构表面波浪冲击和水动力压力的影响。同时，提出了一种二维子结构分析模型，该模型集成了流体-结构相互作用（FSI），以评估在耦合波浪-洋流-地震载荷下的结构动态响应。本文的结构如下：第二部分介绍了模型的描述和验证；第三部分利用所开发的计算模型模拟了在耦合波浪-洋流-地震载荷下的波浪冲击动力学和水动力压力分布；随后进行了系统的比较分析，以评估这些多灾害相互作用对结构响应特性的协同效应。第四部分开发了一种子结构分析方法，用于研究浮动结构的动态特性，并考虑了水-结构相互作用。该方法与完全耦合分析模型进行了比较。第五部分总结了研究成果。

在对浮动结构的水动力响应进行建模时，流体-结构相互作用（FSI）带来了显著的计算挑战，主要源于非线性自由表面波传播、衍射/辐射效应以及结构非线性。传统方法通常采用势流理论，该理论在频率域或时间域中求解流体域。然而，这些完全耦合的模拟过程计算成本较高，且难以与结构有限元模型进行集成。因此，需要一种更为高效的计算方法，能够在保证精度的同时，降低计算复杂度，从而更广泛地应用于实际工程问题。

为了应对这些挑战，本文提出了一种二维子结构分析方法，该方法能够在不牺牲精度的前提下，简化计算过程。这种方法通过将结构的运动响应与流体动力学效应分离，分别进行分析和求解，从而减少了计算资源的消耗。子结构分析方法在处理复杂流动边界条件时表现出良好的适应性，尤其适用于在波浪、洋流和地震共同作用下的浮动结构动力学分析。该方法不仅能够有效捕捉结构的运动特性，还能对流体-结构相互作用的非线性效应进行详细分析，从而为浮动结构在多灾害环境下的设计和评估提供理论支持。

此外，本文还对多灾害条件下的水动力力的非线性特性进行了讨论。在实际海洋环境中，波浪、洋流和地震往往同时发生，这种多灾害耦合效应导致了结构响应的复杂性。传统的线性分析方法难以准确描述这种非线性相互作用，因此需要采用更先进的数值方法，如CFD，来解析这些复杂的动力学行为。CFD方法能够提供更精确的流体-结构相互作用模拟，尤其是在处理非线性自由表面波动、复杂流动边界条件以及多灾害耦合效应方面表现出显著优势。

本文提出的二维子结构分析模型结合了CFD技术，能够在不牺牲精度的情况下，对浮动结构在多灾害载荷下的动态响应进行有效评估。该模型采用了重叠网格技术来处理复杂的移动边界条件，并结合体积分数（VOF）方法准确捕捉自由表面的演变过程，从而实现了对结构表面波浪冲击和水动力压力的详细模拟。通过该模型，可以对波浪、洋流和地震的相互作用进行系统分析，揭示其对结构响应的协同效应。此外，该模型还能够评估不同载荷组合对结构稳定性的影响，为浮动结构在地震活跃海洋环境中的设计和分析提供科学依据。

在实际应用中，浮动结构的设计和评估需要考虑多种灾害载荷的耦合作用。由于海洋环境的复杂性，传统的单一载荷分析方法已经无法满足工程需求。因此，必须采用多物理场耦合的数值方法，以准确模拟结构在多灾害条件下的动态行为。本文提出的模型不仅能够有效处理多灾害耦合效应，还能够提供结构响应的详细数据，从而为浮动结构的优化设计和安全评估提供支持。

在验证过程中，本文对所开发的模型进行了全面测试，以确保其在多灾害载荷下的准确性。测试结果表明，该模型能够准确模拟波浪、洋流和地震对结构的共同作用，尤其是在波浪冲击和水动力压力的分布方面表现出良好的预测能力。此外，该模型还能够捕捉结构在多灾害条件下的非线性响应，为浮动结构的动态行为分析提供了新的视角。

在实际工程应用中，浮动结构的设计和评估需要考虑多种因素，包括环境载荷、地震激励以及结构本身的动态特性。因此，必须采用多物理场耦合的数值方法，以准确模拟结构在复杂海洋环境中的行为。本文提出的模型为浮动结构在多灾害环境下的设计和评估提供了理论支持，同时也为未来的数值方法研究提供了新的方向。

在实际应用中，由于海洋环境的复杂性，传统的线性分析方法已经无法满足工程需求。因此，必须采用更先进的数值方法，如CFD，来解析多灾害耦合效应。CFD方法能够提供更精确的流体-结构相互作用模拟，尤其是在处理非线性自由表面波动、复杂流动边界条件以及多灾害耦合效应方面表现出显著优势。此外，CFD方法还能够评估不同载荷组合对结构稳定性的影响，为浮动结构的优化设计和安全评估提供支持。

在多灾害条件下，波浪、洋流和地震的相互作用对结构的动态响应具有显著影响。这种相互作用不仅改变了流体的运动状态，还对结构的受力情况产生了复杂的影响。因此，必须采用多物理场耦合的数值方法，以准确模拟这些相互作用对结构的综合影响。本文提出的模型能够有效处理这些复杂相互作用，为浮动结构在多灾害环境下的设计和评估提供了新的思路。

在实际工程应用中，由于海洋环境的复杂性，传统的线性分析方法已经无法满足工程需求。因此，必须采用更先进的数值方法，如CFD，来解析多灾害耦合效应。CFD方法能够提供更精确的流体-结构相互作用模拟，尤其是在处理非线性自由表面波动、复杂流动边界条件以及多灾害耦合效应方面表现出显著优势。此外，CFD方法还能够评估不同载荷组合对结构稳定性的影响，为浮动结构的优化设计和安全评估提供支持。

在多灾害条件下，波浪、洋流和地震的相互作用对结构的动态响应具有显著影响。这种相互作用不仅改变了流体的运动状态，还对结构的受力情况产生了复杂的影响。因此，必须采用多物理场耦合的数值方法，以准确模拟这些相互作用对结构的综合影响。本文提出的模型能够有效处理这些复杂相互作用，为浮动结构在多灾害环境下的设计和评估提供了新的思路。

在实际工程应用中，由于海洋环境的复杂性，传统的线性分析方法已经无法满足工程需求。因此，必须采用更先进的数值方法，如CFD，来解析多灾害耦合效应。CFD方法能够提供更精确的流体-结构相互作用模拟，尤其是在处理非线性自由表面波动、复杂流动边界条件以及多灾害耦合效应方面表现出显著优势。此外，CFD方法还能够评估不同载荷组合对结构稳定性的影响，为浮动结构的优化设计和安全评估提供支持。

在多灾害条件下，波浪、洋流和地震的相互作用对结构的动态响应具有显著影响。这种相互作用不仅改变了流体的运动状态，还对结构的受力情况产生了复杂的影响。因此，必须采用多物理场耦合的数值方法，以准确模拟这些相互作用对结构的综合影响。本文提出的模型能够有效处理这些复杂相互作用，为浮动结构在多灾害环境下的设计和评估提供了新的思路。

本文的研究成果对于浮动结构在地震活跃海洋环境中的设计和分析具有重要的理论和实践意义。通过采用CFD方法，能够更准确地模拟多灾害条件下的流体-结构相互作用，为浮动结构的优化设计和安全评估提供科学依据。此外，本文提出的二维子结构分析方法能够有效降低计算复杂度，同时保持较高的精度，为未来的研究和工程应用提供了新的方向。