海洋結(jié)構(gòu)物砰擊問題的研究與進(jìn)展

劉明, 高東博, 左衛(wèi)廣

(1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461； 2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司 港航事業(yè)部，天津 300381； 3.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

海洋結(jié)構(gòu)物砰擊問題的研究與進(jìn)展

劉明1, 高東博2, 左衛(wèi)廣3

(1.中交第一航務(wù)工程局有限公司，天津 300461； 2.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司 港航事業(yè)部，天津 300381； 3.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045)

基于海洋環(huán)境下結(jié)構(gòu)物的剛性特征與研究方法，探討了大尺度海洋結(jié)構(gòu)物的砰擊問題，詳細(xì)回顧并分析了國內(nèi)外對剛性體砰擊問題的理論研究、經(jīng)驗公式研究、數(shù)值和物理模型試驗研究的相關(guān)創(chuàng)新成果,著重概述并總結(jié)了彈性體砰擊問題的研究方法與成果，旨在對海洋結(jié)構(gòu)物水動力問題的研究提供參考。

砰擊問題;剛性體;水彈性;砰擊荷載;研究綜述

水面上的海洋結(jié)構(gòu)物(如高樁碼頭、海洋平臺、海上棧橋、開敞式碼頭、海上高速公路橋等)或結(jié)構(gòu)物元件與流體之間發(fā)生的沖撞現(xiàn)象稱為砰擊，也稱沖擊。砰擊問題涉及到固體、流體和氣體三相介質(zhì)之間的耦合作用，屬于一種非線性的瞬態(tài)水動力問題。嚴(yán)重的砰擊會造成海洋結(jié)構(gòu)物局部損壞或整體坍塌，造成巨大的人員傷亡和嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失[1]。

對于彈性的海洋結(jié)構(gòu)物來說，不僅受到波浪砰擊作用，還受到波浪作用產(chǎn)生的振動響應(yīng)，這是一個復(fù)雜的水動力學(xué)問題，結(jié)構(gòu)物的振動響應(yīng)和波浪的砰擊作用的求解是解決該問題的關(guān)鍵。隨著國家對海洋資源開發(fā)力度的增加，水彈性力學(xué)在海岸和近海工程中有了進(jìn)一步的發(fā)展。因此，為了能夠進(jìn)一步了解國內(nèi)外砰擊問題的研究方向與研究動態(tài)，本文對海洋結(jié)構(gòu)物砰擊問題的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展進(jìn)行了綜述[2]。

1 剛性體砰擊問題

根據(jù)結(jié)構(gòu)物砰擊方式的不同，砰擊問題一般可分為入水和波浪砰擊2種；根據(jù)結(jié)構(gòu)物形狀的不同，砰擊問題一般可以分為楔形體和水平板砰擊2種[2]。關(guān)于砰擊問題的研究方法一般可分為理論研究、經(jīng)驗公式研究、數(shù)值模擬研究和模型試驗研究4種。

1.1 理論研究

最早有關(guān)砰擊問題的理論研究可追溯至1929年，Von-Karman將水上飛機(jī)降落過程理想化為一個二維剛性楔形體的垂直對稱入水過程，并對水上飛機(jī)降落過程中受到的砰擊載荷進(jìn)行了研究，由此拉開了人類對海洋結(jié)構(gòu)物砰擊問題研究的序幕。

Von-Karman 利用經(jīng)典的牛頓力學(xué)思想，將流固之間的相互作用轉(zhuǎn)化成固體之間的相互作用，如圖1(a)所示[3]。對于流固之間的相互作用，Von-Karman還通過動量守恒原理推導(dǎo)出了楔形體入水砰擊載荷的計算公式。WAGNER考慮到自由表面處存在水面隆起的效應(yīng)發(fā)展了Von-Karman的線性入水砰擊理論，如圖1(b)所示[4]。同時，WAGNER提出了自相似解法，為自相似理論、匹配漸進(jìn)展開法和Laplace變換法等在此領(lǐng)域的研究應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)[2]。

WANG認(rèn)為,波浪砰擊水平板時，水體與非連續(xù)邊界每次接觸都會產(chǎn)生波浪砰擊力[5]。BROUGHTON認(rèn)為，水平甲板底面所受的波浪砰擊力主要是慣性力作用的結(jié)果，作用力的沖量等于甲板動量的改變量，如圖2所示[6-7]。

圖1 二維楔形體入水砰擊模型

圖1中：B為楔形體的寬度；h為楔形體的高度；β為楔形體的斜升角；V為楔形體的入水速度；z為楔形體的入水深度；c0為Von-Karman砰擊模型虛擬平板半長；c為Wagner砰擊模型虛擬平板半長；S.W.L為砰擊模型靜水面；O為二維坐標(biāo)原點(位于靜水面)。

圖2 波浪表面與甲板相互作用的理論模型

圖2中：c為入射波浪傳播速度；ηh為甲板底面之上的入射波面高度；t為時間變量；FH為甲板水平波浪沖擊力；ρ為波浪水體密度；b0為甲板寬度；u為波面水質(zhì)點水平速度；FV為甲板豎向波浪沖擊力；cdt為波浪傳播位移增量；ct為甲板底面浸濕長度。

KAPLAN等認(rèn)為，水平板底面所受的波浪載荷包含有砰擊力、拖曳力和浮托力3種成分。砰擊力一般由慣性力和附加質(zhì)量力組成[8-9]。MARIN 認(rèn)為,水平板波浪載荷主要由高頻的砰擊力和低頻的準(zhǔn)靜態(tài)力組成[10]。TANIMOTO等基于Von-Karman砰擊理論和勢流理論對大尺度水平板波浪砰擊問題進(jìn)行了理論研究[11]。DNV-RP-C205 基于Kaplan理論，通過流體動量守恒給出了二維水平板砰擊荷載的表達(dá)式[12]。

由上述研究成果可知，大尺度海洋結(jié)構(gòu)物砰擊問題的理論研究多采用以附加質(zhì)量為基礎(chǔ)的動量守恒和勢流理論的方法進(jìn)行，這為大尺度海洋結(jié)構(gòu)物砰擊問題的經(jīng)驗公式研究與數(shù)值模擬研究奠定了基礎(chǔ)。

1.2 經(jīng)驗公式研究

GODA 認(rèn)為，作用于透空式棧橋面板底部的最大浮托力主要是砰擊載荷[13]。ELGHAMRY 認(rèn)為，水平甲板上托力與波高、甲板凈空、波陡和波浪周期均有密切的關(guān)系[14-15]。FRENCH 認(rèn)為，入射波前首次浸濕平板底面而產(chǎn)生砰擊壓力峰值，其后波前沿著平板底面?zhèn)鞑ィ鋲毫Ψ逯笛夭ㄇ捌桨宓酌孢M(jìn)行傳播至波前停止浸濕為止[16]。SUCHITHRA等認(rèn)為，波浪頻率、平板凈空、K-C數(shù)和加強(qiáng)筋對修正的砰擊系數(shù)均有影響[17]。過達(dá)等分別通過模型試驗給出了平板結(jié)構(gòu)波浪砰擊載荷的計算公式[18-24]。

《海港碼頭結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊》《海港工程設(shè)計手冊》《蓄滯洪區(qū)建筑工程技術(shù)規(guī)范》《AASHTO》和《海港水文規(guī)范》分別推薦了一種平板結(jié)構(gòu)波浪砰擊荷載的計算方法[25-29]。OVERBEEK和周益人等分別通過模型試驗得到了颶風(fēng)浪作用下的突堤甲板與透空式水平板底面波浪砰擊荷載的經(jīng)驗表達(dá)式[30-32]。

由上述創(chuàng)新研究成果可知，對于經(jīng)驗公式的研究大多采用模型試驗或理論與試驗相結(jié)合的方法進(jìn)行。通過物理模型試驗得到的經(jīng)驗公式應(yīng)用于工程實際的局限性較大，且由現(xiàn)有工程難以得到理想的經(jīng)驗公式。因此，國內(nèi)外學(xué)者對數(shù)值模擬方法進(jìn)行了深入的研究，并將其應(yīng)用于工程實際中。

1.3 數(shù)值模擬研究

IRAJPANAH基于有限元法建立了水平甲板波浪砰擊作用的數(shù)值模型[33]。LAI等基于勢流理論和有限元法對水平板的波浪砰擊問題進(jìn)行了數(shù)值模擬研究[34-35]。LI等建立了橢圓余弦波對海洋結(jié)構(gòu)物砰擊作用的數(shù)值模型[36]。BAARHOLM等基于勢流理論，應(yīng)用非線性邊界元法對二維剛性水平板的波浪砰擊問題進(jìn)行了數(shù)值模擬[37-38]。THOMAS 基于邊界元法建立了平臺甲板波浪砰擊作用的數(shù)值模型[39]。

王永學(xué)(WANG Y.X.)基于VOF液體晃蕩數(shù)學(xué)模型建立了規(guī)則波對水平板砰擊作用的數(shù)值模型[40-41]。任冰等建立了不規(guī)則波的二維數(shù)學(xué)模型[42-43]。李雪臨基于任冰的研究成果建立了主動吸收無反射的VOF數(shù)值波浪水槽[44]。張齊焰基于RANS-VOF模型建立了非線性波浪對透空式結(jié)構(gòu)物砰擊作用的兩相流VOF數(shù)值模型[45]。丁兆強(qiáng)基于任冰的研究成果建立了三維VOF的數(shù)學(xué)模型[46]。孫家文基于改進(jìn)的SPH固壁邊界與修正的核函數(shù)建立了波浪對水平板砰擊作用的SPH數(shù)值模型[47]。高睿建立了求解二維自由表面流動問題的波浪砰擊水平板CSPM-R數(shù)值模型[48]。LIND等建立了波峰對平板底面砰擊問題的兩相不可壓縮(流體)-可壓縮(氣體)光滑粒子水動力學(xué)法(ICSPH)數(shù)值模型[49]。

由以上的數(shù)值模擬研究成果可知，對于波浪砰擊問題的研究由規(guī)則波發(fā)展到不規(guī)則波，由單相流發(fā)展到兩相流，VOF與SPH方法已成為大尺度海洋結(jié)構(gòu)物砰擊問題研究的重要方法之一，其二維結(jié)構(gòu)物的研究成果較多地被應(yīng)用于工程實際中。隨著數(shù)值模擬技術(shù)的迅速發(fā)展，使得物理模型試驗研究得到了較大的發(fā)展，可用物理模型來驗證數(shù)值模擬對工程實際的適用性與實用性。

1.4 模型試驗研究

王永學(xué)(WANG Y.X.)等為了分析入射波、凈空和模型尺度等對波浪砰擊壓力的影響，對透空式平板結(jié)構(gòu)的波浪砰擊作用進(jìn)行了物理模型試驗研究[50]。任冰等通過一系列物理模型試驗對不同接岸形式樁基碼頭上部結(jié)構(gòu)的隨機(jī)波浪砰擊作用進(jìn)行了研究，并利用PIV技術(shù)對波浪砰擊過程流場變化特性進(jìn)行了試驗研究[51-56]。周益人等分析了規(guī)則波作用下高樁碼頭面板的最大壓強(qiáng)分布和不規(guī)則波作用下碼頭面板累積概率1%的壓強(qiáng)分布[57]。STANSBERG等分析了氣墊效應(yīng)，預(yù)測了柱狀基礎(chǔ)平臺甲板的最大波浪砰擊力[58]。SCOLAN等通過物理模型對三維水平板底面的駐波砰擊位置與能量進(jìn)行了試驗研究[59]。CUOMO等分析了開敞式碼頭面板結(jié)構(gòu)與波浪相互作用的變化過程，并對其分析內(nèi)容進(jìn)行了物理模型試驗研究[60-61]。陳自祥等為了分析不同相對超高下墩臺底面波浪壓強(qiáng)的作用過程和分布以及上托力的變化，對碼頭樁基墩臺底面波浪砰擊壓強(qiáng)和上托力進(jìn)行了物理模型試驗研究[62]。

由上述的研究成果可知，關(guān)于砰擊問題的模型試驗研究由二維發(fā)展到三維、由規(guī)則波發(fā)展到不規(guī)則波、由不考慮氣墊發(fā)展到考慮氣墊的原型試驗研究階段。物理模型試驗研究是檢驗工程設(shè)計方案合理性與優(yōu)化工程方案的重要手段，其試驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性以及相似性已得到海內(nèi)外學(xué)者以及工程技術(shù)人員的認(rèn)可。

2 水彈性砰擊問題

以往對砰擊問題的研究，大多是把結(jié)構(gòu)視為剛體，沒有考慮到結(jié)構(gòu)剛度對砰擊的影響，忽略了結(jié)構(gòu)振動或變形對砰擊載荷的影響。實際砰擊過程中結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生變形，變形反過來會影響流體的運(yùn)動，合理的做法是同步模擬流體和結(jié)構(gòu)的耦合作用。國際船模拖曳水池會議第25屆會議報告中把砰擊和液體晃蕩等流固耦合問題列為當(dāng)前水動力研究中的一個重點方向，國際水波與浮體研討會中關(guān)于砰擊和結(jié)構(gòu)水彈性問題的研究更是占有相當(dāng)?shù)谋壤?，說明了國際上對流固耦合和水彈性砰擊問題研究的重視。

對于水彈性砰擊問題，目前考慮結(jié)構(gòu)彈性效應(yīng)砰擊問題的研究成果多集中在船舶工程領(lǐng)域，而對平板波浪砰擊問題的研究成果較少。根據(jù)大尺度結(jié)構(gòu)物的形狀不同，水彈性砰擊問題可分為楔形體和水平板砰擊2種類型。

2.1 楔形體砰擊

文獻(xiàn)[63]中顯示，Sharov是最早對彈性楔形體的入水砰擊問題進(jìn)行研究的人員之一。Sharov將彈性體的入水問題處理成2個問題的結(jié)合：一是先不考慮結(jié)構(gòu)的彈性，求解流場和流體對物體的作用力；二是在已知物面壓力分布的情況下計算結(jié)構(gòu)的彈性變形。

TAKAGI 忽略氣墊影響對二維彈性楔形體入水砰擊問題進(jìn)行了理論和試驗研究[64]。FALTINSEN基于Wagner的砰擊理論[4]對彈性楔形體的入水砰擊問題進(jìn)行了理論和試驗研究[65]。盧熾華基于邊界元法和有限元法對彈性楔形體入水砰擊問題進(jìn)行了數(shù)值研究[66]。KHABAKHPASHEEVA等基于勢流理論與Wagner的砰擊理論[4]對彈性楔形體的入水砰擊問題進(jìn)行了數(shù)值研究[67]。孫輝等為了分析流固耦合下結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)，對二維彈性楔形體的入水砰擊過程進(jìn)行了試驗研究[68]。莫立新等為了測量入水速度、砰擊壓力和結(jié)構(gòu)響應(yīng)，對彈性楔形體入水砰擊問題進(jìn)行了模型試驗研究[69]。朱克強(qiáng)等對船舶底部入水砰擊過程進(jìn)行了理論分析研究[70-71]。SHAMS等基于Wagner理論對彈性楔形體的入水砰擊問題進(jìn)行了理論研究[72]。

由上述楔形體入水砰擊問題的研究成果可知，國際上已較早地對楔形體砰擊問題進(jìn)行了研究，目前關(guān)于彈性楔形體的研究比較成熟，主要的研究方法有數(shù)值模擬與物理模型試驗研究2種，其研究成果的推廣及應(yīng)用多集中在船舶工程領(lǐng)域，部分成果已應(yīng)用于解決工程中的實際問題。

2.2 水平板砰擊

CHUANG為了分析彈性性能對砰擊力的影響，對彈性水平板的入水砰擊問題進(jìn)行了試驗研究[73]。研究結(jié)果表明：彈性板的砰擊壓力包括2部分，砰擊過程中保持剛性部分的剛體砰擊壓力和彈性板震蕩表面與周圍流體之間的相互作用壓力。后者與砰擊面運(yùn)動方向相反，故減小了剛性板的砰擊壓力。

FALTINSEN等為了分析砰擊壓力峰值與入水速度的關(guān)系，基于Wagner的砰擊理論[4]與漸進(jìn)理論對彈性板的入水砰擊問題進(jìn)行了理論與試驗研究[74-75]。WILDE等基于Kalman濾波法對彈性支撐水平板的駐波砰擊作用進(jìn)行了理論與試驗研究[76]。SULISZ等為了解砰擊過程中荷載與響應(yīng)的特征階段，對彈性支撐剛性平臺的波浪砰擊作用和動力響應(yīng)進(jìn)行了理論與試驗研究[77-78]。

郭保臣為了分析彈性支撐下水平板的運(yùn)動規(guī)律，對彈性支撐水平板波浪砰擊作用下的動力響應(yīng)問題進(jìn)行了試驗研究[79]。宋子路和孫見鋒為了了解彈性支撐下砰擊荷載與動力響應(yīng)的變化規(guī)律，分別對彈性支撐水平板的波浪砰擊作用與動力響應(yīng)進(jìn)行了試驗研究[80-81]。

由上述研究成果可知，彈性水平板砰擊問題的研究多采用物理模型試驗法進(jìn)行研究，由于水平板波浪砰擊問題涉及到氣、液、固三者之間的耦合作用，二維問題局部變形處由于氣體的存在，可能會出現(xiàn)三維效應(yīng)的影響，該三維效應(yīng)主要是通過一些二維的近似處理或經(jīng)驗公式修正得到。同時，對于砰擊問題目前還很難在理論上建立一個三維的包含氣、液、固的流場和運(yùn)動邊界的數(shù)學(xué)模型來描述，尤其難以建立固體域彈性變形造成的耦合效應(yīng)的三維模型。因此，目前對彈性水平板砰擊問題的研究大多局限在用物理模型試驗方法進(jìn)行研究方面。

3 結(jié)語

目前，關(guān)于水彈性砰擊問題的研究主要建立在數(shù)值模擬與模型試驗2種方法的基礎(chǔ)上。在研究中，砰擊問題機(jī)理的復(fù)雜性，使得國內(nèi)外學(xué)者不得不將此問題進(jìn)行簡化處理，如三維結(jié)構(gòu)物的對稱化、三維效應(yīng)二維近似等，簡化處理的結(jié)果不足以表征此典型流固耦合問題。

目前，對剛性體砰擊問題的研究方法比較多，主要有理論、經(jīng)驗公式、數(shù)值模擬與模型試驗等方法，其中數(shù)值模擬方法較成熟，應(yīng)用較廣泛，同時大多數(shù)經(jīng)驗公式均具有砰擊問題的理論研究成果。而水彈性砰擊問題的研究發(fā)展比較緩慢，研究方法多為模型試驗法，方法較單一，基本處于初級研究階段。因此，關(guān)于彈性海洋結(jié)構(gòu)物砰擊問題的研究，迫切需要創(chuàng)新剛性體的砰擊理論并優(yōu)化數(shù)值模擬算法，以使具有非線性瞬態(tài)動力的流固耦合問題得到解決，以推動水彈性力學(xué)的發(fā)展。

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ResearchandDevelopmentoftheSlammingProblemofLarge-scaleMarineStructures

LIU Ming1， GAO Dongbo2， ZUO Weiguang3

(1.CCCC First Harbor Engineering Company Ltd.,Tianjin 300461, China;2.Harbor Business Department, CCCC Fourth Harbor Consultants Co., Ltd., Tianjin 300381, China;3.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China))

Based on the rigidity characteristics and research method of marine structures, the research and development of slamming problem of large-scale marine structures were discussed. In this article, we reviewed and analyzed the innovative research results about the slamming problem of rigidity bodies, such as theoretical researches, empirical formulas, the experiments of numerical and physical models. We summarized the methods and results researching the slamming problems of elastic bodies. The summarized results will provide some reference to the research development of the hydrodynamic problems of marine structures.

slamming problem; rigid body; hydroelasticity; slamming loads; research overview

2016-10-23

劉明(1984—),男,陜西富平人,工程師，博士,從事工程技術(shù)管理、波浪與建筑物相互作用方面的研究。E-mail:lium@ccccyhj.com。

左衛(wèi)廣(1981—),男,河南安陽人,講師，博士,從事波浪與建筑物相互作用方面的研究。E-mail：weiguangzuo2004@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.05.010

TV131.6;P753

A

1002-5634(2017)05-0076-06

(責(zé)任編輯杜明俠)