畸形波模擬及其對(duì)近岸構(gòu)筑物作用綜述

林海華

（福建省海洋預(yù)報(bào)臺(tái)，福建福州 350003）

畸形波是一種災(zāi)害性波浪，其波高極大，能量集中，具有很強(qiáng)的非線性，破壞力極強(qiáng)，對(duì)近岸和海上結(jié)構(gòu)物構(gòu)成嚴(yán)重的威脅?；尾ㄒ鸬亩盖妥杂擅?、碎波等自由面大變形問題和結(jié)構(gòu)物的極限響應(yīng)等強(qiáng)非線性流-固耦合作用問題是目前水動(dòng)力學(xué)問題中的前沿和難點(diǎn)問題，雖然國(guó)內(nèi)外研究人員在這方面做了一些工作，但很多更深層次的問題還沒有深入，理清畸形波的發(fā)生機(jī)理、畸形波的模擬、對(duì)近岸構(gòu)筑物的作用等一系列問題，還有許多研究要做。進(jìn)一步的深入研究，將對(duì)海洋動(dòng)力學(xué)的發(fā)展和促進(jìn)人類對(duì)波浪理論的認(rèn)識(shí)和進(jìn)步具有重要的理論意義，同時(shí)對(duì)近岸構(gòu)筑物的安全設(shè)計(jì)、使用和防護(hù)也具有重要的工程意義。

1 畸形波定義

畸形波是突出于周圍其它波浪的短峰波，其波高很大，跟相鄰的波浪幾乎不相關(guān)，而且畸形波的大波峰并不與其同樣大的波谷相對(duì)應(yīng)?；尾úǚ逍螤钶^為怪異，為前凹后凸，前坡很陡且升高很快，出現(xiàn)和消失很突然，具有瞬態(tài)性，是一種強(qiáng)非線性、非常不對(duì)稱的波浪。因此國(guó)內(nèi)外學(xué)者從波高的角度進(jìn)行定義，認(rèn)為波高大于有效波高2.0倍的單波可以稱為畸形波[1-2]。

2 畸形波發(fā)生機(jī)理

根據(jù)觀測(cè)資料，近年來很多海上工程事故和災(zāi)難都跟畸形波有緊密的關(guān)系。例如，墨西哥灣海域，美國(guó)“拉馬波”汽輪在行駛中忽然被巨浪吞噬；南非東南海域，某巨型油輪被巨浪襲擊，折成兩半；德國(guó)附近海域，一艘超級(jí)油輪遭怪浪襲擊沉沒；中國(guó)東南海域，幾名學(xué)生在福建長(zhǎng)樂市某海灘游玩時(shí)被巨浪卷走，還有人們熟知的好望角怪浪以及挪威北海大浪等[3]，這些工程事故和災(zāi)難基本上都與畸形波有關(guān)。

由于畸形波發(fā)生的概率較低，可利用的數(shù)據(jù)和資料較少，因此，對(duì)畸形波發(fā)生機(jī)理的解釋各有不同。目前的研究結(jié)果表明，畸形波的生成原因主要分為以下兩方面：

2.1 外部環(huán)境變化的影響

1）反向流的存在引起的波能聚焦。當(dāng)波浪經(jīng)過有潮流變化或彎曲段區(qū)域時(shí)，在流的作用下，波浪能量就匯聚到焦散區(qū)域，出現(xiàn)所謂尖瘦的、巨大的、畸形的波[4]。

2）風(fēng)運(yùn)動(dòng)到波浪的連續(xù)能量傳輸?；尾ǖ某霈F(xiàn)，很大部分由風(fēng)波的作用引起，在強(qiáng)風(fēng)作用下，暴風(fēng)雨中的連續(xù)能量轉(zhuǎn)移到了波群中，促使波能瞬間增加，由此產(chǎn)生了畸形波。從畸形波發(fā)生事件和現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)資料來看，大都發(fā)生在極端天氣時(shí)。根據(jù)相關(guān)資料的分析，畸形波發(fā)生時(shí)，風(fēng)波能幾乎占了整個(gè)波能量的70%。

2.2 內(nèi)在演化

內(nèi)在演化包括線性能量疊加、非線性波相互作用、斯托克斯演變，即波陡引發(fā)的波峰變化以及高階非線性、非線性聚焦和時(shí)空聚焦的影響。Mori[5]等人在進(jìn)行研究時(shí)提出，畸形波發(fā)生時(shí)，譜中能量在瞬間集中，然后逐漸向高頻部分轉(zhuǎn)化。相比常規(guī)波浪，畸形波則是波能高度集中的結(jié)果。

3 畸形波的模擬

畸形波不僅歷時(shí)短，難以靠常規(guī)方法預(yù)測(cè)，而且觀測(cè)資料極其短缺。在資料緊缺情況下，國(guó)內(nèi)外學(xué)者只能依靠物理、數(shù)值模型手段，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬畸形波以實(shí)現(xiàn)對(duì)其發(fā)生過程進(jìn)行研究的目的。

Kim[6]等人在二維波浪水槽中應(yīng)用逆?zhèn)鞑サ姆椒ㄉ蓸O端波浪，在靜止的水面上，先產(chǎn)生波動(dòng)，然后由擾動(dòng)點(diǎn)開始，逐漸地向兩端傳播，并記錄傳到水槽兩端的信號(hào)。Chaplin[7]在實(shí)驗(yàn)室中利用相速度法制造出了單個(gè)的大波，并讓這些大波在一定的頻率范圍內(nèi)，通過相頻率差，使其互相作用，讓波能量在水槽的一定位置集聚，最后形成單個(gè)大波。國(guó)內(nèi)方面，柳淑學(xué)等人也在物理模擬中取得一定的成果，柳淑學(xué)[8]在實(shí)驗(yàn)室模擬了二維和三維聚焦波，胡凱程[9]、江文山[10]等人提出了深水非線性波在傳播過程的波列調(diào)變。

上述研究的工作重心大都基于實(shí)驗(yàn)方法或者勢(shì)流理論對(duì)波形的研究，但畸形波與非畸形波之間到底有什么區(qū)別，只是波形的區(qū)別？波浪場(chǎng)情況如何？破碎與非破碎情況下，畸形波的速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)的特征以及與其他波浪形式的差別又是如何？演變過程中，波浪場(chǎng)的變化情況如何？以及與能量譜型、譜峰周期、波陡等因素之間的關(guān)系又是如何？波浪破碎及水氣摻混如何考慮？這些問題都是目前勢(shì)流理論等研究手段無法解決的問題，要想全面了解和認(rèn)識(shí)畸形波，就要建立反映物理現(xiàn)象本質(zhì)的數(shù)學(xué)模型，發(fā)展合適的求解方法，進(jìn)而達(dá)到剖析畸形波內(nèi)部特征的目的。

4 畸形波對(duì)近岸構(gòu)筑物的作用研究

由于畸形波出現(xiàn)時(shí)，構(gòu)筑物會(huì)遭受歷時(shí)很短的強(qiáng)非線性波浪荷載，發(fā)生像波浪抨擊、波浪破碎、近岸構(gòu)筑物破壞、整體滑移等現(xiàn)象。目前，畸形波對(duì)近岸構(gòu)筑物的作用研究基本上采用物理模型和數(shù)值模型兩種手段。

4.1 物理模型

中國(guó)水利水電科學(xué)研究院通過遼寧紅沿河核電廠二期工程波浪模型試驗(yàn)，研究畸形波對(duì)近岸直墻式結(jié)構(gòu)物的作用。在試驗(yàn)中，通過對(duì)浪高測(cè)量系統(tǒng)和點(diǎn)壓力測(cè)量系統(tǒng)的同時(shí)采集，以讓浪高和點(diǎn)壓力數(shù)據(jù)保持同步，并在結(jié)果中，查看取水構(gòu)筑物點(diǎn)壓力過程線中是否存在異常。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，取水構(gòu)筑物點(diǎn)壓力過程線存在異常情況，證明取水構(gòu)筑物前和附近海域有畸形波發(fā)生，其異常點(diǎn)壓力是由近岸畸形波傳播至取水構(gòu)筑物并對(duì)構(gòu)筑物沖擊造成的。通過壓力顯示值可以看出，畸形波造成的異常點(diǎn)壓力約為常規(guī)波浪最大點(diǎn)壓力值的2.3倍，因此，畸形波會(huì)比常規(guī)的波浪產(chǎn)生更大的波壓力，對(duì)近岸構(gòu)筑物會(huì)造成極其嚴(yán)重的毀壞，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)近岸構(gòu)筑物的防護(hù)，提高其強(qiáng)度和穩(wěn)定性。在近岸構(gòu)筑物設(shè)計(jì)中，應(yīng)該考慮畸形波的作用，并適當(dāng)提高構(gòu)筑物承壓設(shè)計(jì)值。

4.2 數(shù)值模型

畸形波對(duì)近岸構(gòu)筑物的作用研究通常也采用數(shù)值模型來進(jìn)行，主要有計(jì)算流體力學(xué)、SPH方法、CIP方法等。近年來，計(jì)算流體力學(xué)（CFD）在處理自由面流動(dòng)問題時(shí)出現(xiàn)了很多技術(shù)，基于黏性流體理論、求解N-S方程的數(shù)值方法等為自由表面流動(dòng)研究注入了新的活力，這些模型可處理自由面的大變形、水氣的摻混等多相流問題，具有處理波浪與近岸構(gòu)筑物相互作用的能力。Cao[11]等（2012）基于OpenFOAM模型再現(xiàn)了畸形波對(duì)近岸豎向圓柱的作用問題，分析了作用力的分布和圓柱周圍的自由面情況。澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織的Rudman課題組基于SPH方法開展了斜向畸形波與海洋結(jié)構(gòu)物的模擬研究。粒子方法因其無網(wǎng)格的特性使其具有模擬強(qiáng)非線性自由面問題的優(yōu)勢(shì)，但是其缺點(diǎn)也很明顯，計(jì)算速度慢。德國(guó)漢堡科技大學(xué)的Mocta課題組基于雷諾平均的N-S方法，建立了畸形波在平臺(tái)上的爬高和沖擊相關(guān)的波浪力等問題的兩相流模型，考慮波浪破碎和水氣的摻混等問題，而沒有考慮構(gòu)筑物的響應(yīng)問題。英國(guó)曼徹斯特都會(huì)大學(xué)的Mingham課題組基于求解N-S方法的兩相流模型，開展了浮子式波能發(fā)電裝置在畸形波作用下響應(yīng)研究，重點(diǎn)研究了不同類型的浮子單自由度響應(yīng)問題，但是沒有研究?jī)?nèi)部流場(chǎng)特征及多自由度問題。Zhao和Hu（2012）[12]基于自主研發(fā)的CIP模型開展了極端波浪條件下浮體兩自由度響應(yīng)的模擬研究，初步驗(yàn)證了CIP方法建立的波浪水槽對(duì)該類問題的適用性，而畸形波的作用荷載的特點(diǎn)，畸形波作用下的波浪力、構(gòu)筑物的運(yùn)動(dòng)響應(yīng)、結(jié)構(gòu)物周圍的多相流耦合流場(chǎng)特征與其他波浪形式的差異等問題還沒有涉及。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)達(dá)和高階精度計(jì)算格式的出現(xiàn)，與畸形波作用荷載相關(guān)問題的研究將會(huì)有更大的發(fā)展空間。

5 結(jié)語

本綜述介紹了畸形波的模擬以及對(duì)近岸構(gòu)筑物作用的研究現(xiàn)狀及其相關(guān)問題的分析。從畸形波定義出發(fā)，探討了畸形波的發(fā)生機(jī)理，以及畸形波的模擬及畸形波對(duì)近岸構(gòu)筑物的作用等工程相關(guān)問題?？傮w來講，人們對(duì)畸形波的了解還很有限，只見其表象，而未知其深意。隨著海洋開發(fā)利用活動(dòng)的日益頻繁，所涉及的近岸工程的防護(hù)和減災(zāi)需求日益迫切，對(duì)畸形波的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和研究顯然成為了當(dāng)今社會(huì)的一個(gè)重要課題。通過對(duì)畸形波模擬以及畸形波對(duì)近岸構(gòu)筑物作用的進(jìn)一步研究，不僅拓寬了波浪對(duì)建筑物作用研究的范疇，而且對(duì)近岸構(gòu)筑物的安全設(shè)計(jì)、使用和防護(hù)起到了重要的作用，進(jìn)一步推動(dòng)了海洋防災(zāi)減災(zāi)事業(yè)的發(fā)展。

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