內(nèi)孤立波對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物與潛體作用機(jī)制綜述

林文澤，王 寅，2，傅依達(dá)

（1.南昌工程學(xué)院 水利與生態(tài)工程學(xué)院，南昌 330099； 2.江西省水利科學(xué)院 防災(zāi)減災(zāi)與水工程安全研究所，南昌 330029；3.江西省科學(xué)技術(shù)信息研究所，南昌 330046）

近年來，隨著陸地礦產(chǎn)資源被逐漸開采，大家開始把目光轉(zhuǎn)向海洋礦產(chǎn)資源， 不同種類的海洋工程和海底勘探器的數(shù)量和工作強(qiáng)度相比之前有了很大提升。而海洋中的開采環(huán)境不如陸地穩(wěn)定， 如海洋內(nèi)孤立波就可能導(dǎo)致海洋工程或者海底潛器疲勞甚至損壞，影響施工開采工作的安全進(jìn)行。 海洋內(nèi)波廣泛分布于各大洋和邊緣海域，是海洋中的普遍現(xiàn)象。海洋中通?？梢孕纬蓭装倜字辽习俟锊ㄩL(zhǎng)范圍的內(nèi)波； 在密度躍層（ 密度分層面）處出現(xiàn)的大型內(nèi)孤立波的振幅和流場(chǎng)流速可以達(dá)到百米量級(jí)且超過2 m/s，水下結(jié)構(gòu)物將受到巨大的波浪力。 目前海洋工程建設(shè)前都需要針對(duì)建筑物對(duì)內(nèi)孤立波的水動(dòng)力響應(yīng)做評(píng)估， 為減少內(nèi)波對(duì)海洋工程及海下潛器造成過大的破壞， 以防影響結(jié)構(gòu)物運(yùn)行年限以及海下潛器的運(yùn)動(dòng)性能和動(dòng)力性能，對(duì)社會(huì)安全和經(jīng)濟(jì)帶來巨大威脅和損失， 有必要從內(nèi)波孤立的研究方法及內(nèi)孤立波的力學(xué)特性方面的研究進(jìn)展開展總結(jié)、歸納。

1 內(nèi)波研究方法相關(guān)進(jìn)展

1.1 物理試驗(yàn)

物理模型試驗(yàn)是探索內(nèi)孤立波條件下水下結(jié)構(gòu)物和潛器水動(dòng)力特性的重要手段。 內(nèi)孤立波物模試驗(yàn)最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)就是造波， 造波方法包括雙推板造波法、重力塌陷造波法、搖板式造波法等。 重力塌縮造波法的核心理論是利用不同水層間存在的壓力差來導(dǎo)致內(nèi)孤立波的產(chǎn)生。此方法操作簡(jiǎn)單，且可以調(diào)控振幅和波長(zhǎng)[1]，但該方法也存在缺點(diǎn)，如內(nèi)孤立波的質(zhì)量將受到擋板抽離快慢的影響[2]；搖板式造波法是將搖板安裝在造波區(qū)。 通過控制搖板按一定規(guī)律繞固定支點(diǎn)擺動(dòng)，對(duì)水體進(jìn)行擾動(dòng)，從而誘發(fā)內(nèi)波；雙推板造波可以控制所造內(nèi)波振幅[3]并使其波形穩(wěn)定， 但內(nèi)孤立波的產(chǎn)生和傳播質(zhì)量會(huì)受到推板速度快慢的影響。相較于重力塌陷法，雙推板造波法將導(dǎo)致躍層處嚴(yán)重的混合現(xiàn)象，嚴(yán)重影響造波質(zhì)量[3]。 相比于搖板造波法，雙推板造波法更復(fù)雜，搖板式造波法推板力[4]更大。 兩者缺陷相似，水體躍層處的混亂現(xiàn)象影響了造波質(zhì)量。

許多學(xué)者在物模試驗(yàn)水槽中對(duì)半球體、 立方體薄板、圓柱體、方柱體等結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究[5-6]，結(jié)果表明， 結(jié)構(gòu)的水下動(dòng)力特性受到流體的密度差和深度比的影響。因此，眾多學(xué)者選擇構(gòu)建抽板式分層流體水槽[7]來進(jìn)行內(nèi)波實(shí)驗(yàn)，改方法可對(duì)內(nèi)波進(jìn)行更細(xì)致的觀測(cè)和研究。抽板可以產(chǎn)生分層流體。將模型放在分層流體水槽中，利用重力塌陷法來制造波[8]是更常見的造波方法。 該方法的原理是利用起波裝置上旋轉(zhuǎn)百葉的關(guān)閉和重力方形勢(shì)阱擾動(dòng)模型縱向軌跡上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，形成不同寬度的方形勢(shì)阱，然后瞬間打開閥門開關(guān)，使每個(gè)方形勢(shì)阱形成重力塌陷，演化為內(nèi)孤立波。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，當(dāng)孤立波被激發(fā)后，可采用電導(dǎo)率探頭陣列將探測(cè)到的電導(dǎo)率輸出為相應(yīng)電壓， 從而記錄躍層附近垂直密度分布和入射波幅值。 利用染色液顯示技術(shù)對(duì)不同密度的水體染色， 通過高速攝像機(jī)記錄內(nèi)孤立波與海洋結(jié)構(gòu)相互作用的可視化結(jié)果， 可以顯示海洋結(jié)構(gòu)遇到內(nèi)孤立波時(shí)周圍波浪力結(jié)構(gòu)的變化和內(nèi)波波形波速等信息。

物理試驗(yàn)為諸多學(xué)者研究?jī)?nèi)波特性提供了巨大幫助，但是該方法也存在一些不足。

1）尺寸效應(yīng)問題。 內(nèi)波在自然界中于廣袤的大海中經(jīng)歷長(zhǎng)時(shí)間擾動(dòng)和傳播形成， 海洋結(jié)構(gòu)物要有足夠的尺寸來保證強(qiáng)度和剛度來抵御大海中各式各樣的壓力與沖擊。但內(nèi)波試驗(yàn)是在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，用于試驗(yàn)的水槽、海洋結(jié)構(gòu)物模型等物件的尺寸都遠(yuǎn)小于實(shí)際，這就導(dǎo)致我們無法完全模擬內(nèi)波在海洋中的產(chǎn)生與傳播， 如何減小尺寸效應(yīng)和不同水體給試驗(yàn)帶來的誤差也是研究重點(diǎn)。

2）試驗(yàn)誤差問題。 試驗(yàn)設(shè)備在記錄和監(jiān)測(cè)的同時(shí)，都有可能出現(xiàn)誤差，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)要增加試驗(yàn)次數(shù)盡可能減少誤差，同時(shí)造波設(shè)備在制造內(nèi)波的同時(shí)會(huì)發(fā)生振動(dòng)，將會(huì)影響造波的質(zhì)量，無法達(dá)到預(yù)期的效果。 探討更加有效的減振方案也是內(nèi)波試驗(yàn)的研究方向。

1.2 數(shù)值模擬

仿真技術(shù)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展也愈發(fā)成熟。 利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)可以模擬內(nèi)孤立波的產(chǎn)生、 傳播和耗散過程。 其中，數(shù)值模擬造波方法可以分為2 類：一類是仿物理造波法， 是由實(shí)驗(yàn)室物理試驗(yàn)造波技術(shù)衍生而來；另一類是純數(shù)值造波法[9]。 仿物理實(shí)驗(yàn)造波是依據(jù)重力塌縮造波法[10]、雙推板造波法[11]等物理試驗(yàn)造波方法的基本原理，在數(shù)值水槽中定義物理量，模擬內(nèi)孤立波的產(chǎn)生和傳播過程。 純數(shù)值造波法是選擇合適的內(nèi)孤波理論，設(shè)置合適的數(shù)值水槽邊界條件，從而誘發(fā)內(nèi)孤波的產(chǎn)生，如速度入口造波法[12]、質(zhì)量源造波法[13]。 但內(nèi)孤立波理論是所有造波方法的基礎(chǔ)。

大量學(xué)者對(duì)內(nèi)孤立波的數(shù)值造波進(jìn)行研究， 取得了一些關(guān)鍵性的成果。 內(nèi)孤立波的Kdv 理論最早由Korteweg 和De[14]提出，之后學(xué)者們又相繼提出了內(nèi)孤立波的eKdv、mKdv 和MCC[15]理論模型。 在此基礎(chǔ)上，黃文昊等[16]通過數(shù)模研究給出了這3 種內(nèi)孤立波理論的適用性條件。 方舟等[13]構(gòu)造了雙推板、速度入口、質(zhì)量源3 類內(nèi)孤立波數(shù)值造波模型， 得到了高效的內(nèi)孤立波數(shù)值生成方法。 付東明等[17]建立了雙推力板內(nèi)孤立波的數(shù)值模擬方法， 并利用其對(duì)細(xì)長(zhǎng)回轉(zhuǎn)體在實(shí)尺度海洋分層環(huán)境下內(nèi)孤立波的載荷特性進(jìn)行分析。 并在此基礎(chǔ)上模擬了Subboff 潛艇模型上凸型和下凹型2 種條件下內(nèi)孤立波與潛艇相互作用的流場(chǎng)演化過程。并將結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了內(nèi)孤立波載荷數(shù)值模擬方法， 給出了潛艇通過內(nèi)孤立波時(shí)水平力、垂直力和力矩的特性，并與非分層均勻流體中的結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，潛艇通過內(nèi)孤立波時(shí)的受力會(huì)在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生劇烈變化， 對(duì)潛艇的水動(dòng)力性能有明顯影響。相較于物理試驗(yàn)，數(shù)值模擬可以利用計(jì)算機(jī)快速地進(jìn)行模擬和處理較復(fù)雜的試驗(yàn)， 且成本較物理試驗(yàn)低，可以施加物理試驗(yàn)時(shí)達(dá)不到的一些條件。恰當(dāng)?shù)臄?shù)值模擬方法可以對(duì)試驗(yàn)研究和理論分析結(jié)果進(jìn)行合理性的預(yù)期。

2 內(nèi)孤立波對(duì)海洋工程及潛體的作用特性研究進(jìn)展

海水的密度分布不均勻。事實(shí)上，由于太陽熱輻射等因素，海水的密度分布通常具有垂直分層特征。由于海水密度的分層特性，當(dāng)海洋中存在擾動(dòng)源時(shí)，在一定條件下會(huì)激發(fā)出海洋內(nèi)部的巨大振幅，即內(nèi)波。世界上幾乎所有的大陸架區(qū)和深海區(qū)都存在內(nèi)波， 許多海域存在復(fù)雜的海水分層現(xiàn)象，內(nèi)波活動(dòng)頻繁。內(nèi)孤立波的傳播會(huì)引起周圍水域流場(chǎng)的顯著變化， 對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)和潛水器的影響不容忽視。 在海洋工程結(jié)構(gòu)和潛水器的設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮內(nèi)波的載荷和作用特性。內(nèi)孤立波的力學(xué)特性可以從分層流體環(huán)境中結(jié)構(gòu)物的力學(xué)響應(yīng)、 內(nèi)孤立波作用下的海洋工程和潛體的動(dòng)力特性2個(gè)方面介紹。

2.1 分層流環(huán)境下結(jié)構(gòu)物的力學(xué)響應(yīng)

在海洋工程的海洋結(jié)構(gòu)中，柱形結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用，如海底隧道、水下航行器和各種用途的跨海橋梁。研究?jī)?nèi)孤立波對(duì)此類結(jié)構(gòu)的作用特性， 是認(rèn)識(shí)內(nèi)孤立波作用機(jī)制的基礎(chǔ)。因此，有必要對(duì)內(nèi)孤立波力學(xué)性能的研究進(jìn)展進(jìn)行綜述。目前，海洋結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)必須考慮其所能承受的內(nèi)波浪力，Sturova[18]利用特征函數(shù)展開法、多級(jí)展開法和格林函數(shù)法， 對(duì)水下結(jié)構(gòu)如圓柱體、球體、方盒及薄板等進(jìn)行了較為系統(tǒng)的研究。 結(jié)果表明，在一定頻率范圍內(nèi)， 兩相分層流體的密度差和深度對(duì)海洋結(jié)構(gòu)的水動(dòng)力特性有重要影響。 Cai 等[19]利用Morison 公式分析了內(nèi)孤立波誘導(dǎo)流場(chǎng)中細(xì)長(zhǎng)桿的荷載，證實(shí)小直徑樁所受內(nèi)波力可達(dá)表面內(nèi)波力的10 倍以上。 在內(nèi)波力分析研究方面，葉春生等[20]利用Morison 公式估算了小型直立圓柱的內(nèi)波載荷，并與表面波載荷、海流載荷進(jìn)行了對(duì)比。 結(jié)果表明，內(nèi)孤立波在傳播過程的某些階段載荷具有明顯的正負(fù)垂直交錯(cuò)分布， 在此類環(huán)境中結(jié)構(gòu)可能受到內(nèi)孤立波引起的剪切力的破壞。

綜上所述， 內(nèi)孤立波的產(chǎn)生和傳播導(dǎo)致海洋多層流體環(huán)境變得十分復(fù)雜， 使眾多海洋結(jié)構(gòu)物的力學(xué)特性發(fā)生改變，特別是海洋中常用的柱形結(jié)構(gòu)。思考如何在內(nèi)波環(huán)境下減小海洋結(jié)構(gòu)物受到的破壞是值得深究的問題。與此同時(shí)，一些研究者也嘗試探討內(nèi)波環(huán)境下對(duì)結(jié)構(gòu)物實(shí)施相關(guān)的防護(hù)措施： ①可在結(jié)構(gòu)物的密度躍層處增加減阻板， 減阻板試驗(yàn)表明減阻板能夠有效地保護(hù)海洋結(jié)構(gòu)物；②也可從結(jié)構(gòu)物本身出發(fā)，利用結(jié)構(gòu)物的材料或是升級(jí)表面工藝的改變來影響流場(chǎng)形態(tài)和壓強(qiáng)梯度，從而起到保護(hù)結(jié)構(gòu)物的目的。

2.2 內(nèi)波與潛體相互作用

Du 等[21]利用分層水槽試驗(yàn)研究了內(nèi)孤立波沿緩坡和山脊地形對(duì)細(xì)長(zhǎng)潛體的水平力和垂向力特性。Wang[22]測(cè)量了波-流耦合流場(chǎng)中內(nèi)波與加長(zhǎng)潛體相互作用的二維作用力特征。結(jié)果表明，內(nèi)孤立波入射角對(duì)潛體的水平力和垂向力有顯著影響。 內(nèi)波地形效應(yīng)引起的結(jié)構(gòu)變化將直接影響細(xì)長(zhǎng)潛水器的力學(xué)特性。 付東明等[17]采用數(shù)值模擬技術(shù)模擬了兩層流體中內(nèi)孤立波與潛體之間的相互作用。 分析了潛體在不同深度有速和無速時(shí)的內(nèi)孤立波載荷特性。 姚金偉等[23]采用邊界元法計(jì)算了位于兩層不同深度流體中的潛體受到的規(guī)則波的一階內(nèi)波力。 尤云祥等[24]對(duì)密度分層流體中內(nèi)波與半潛式平臺(tái)相互作用進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，結(jié)果表明， 內(nèi)波對(duì)半潛式平臺(tái)運(yùn)動(dòng)響應(yīng)的會(huì)造成不可忽視的影響。

綜上所述， 潛體在密度分層的海洋內(nèi)波環(huán)境下的水動(dòng)力特性會(huì)發(fā)生非常復(fù)雜的變化， 如水平力、 垂向力、波浪載荷等的改變，這會(huì)導(dǎo)致潛體動(dòng)力性能和操作難度都受到影響， 甚至?xí)疬\(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性和控制操作的失控； 內(nèi)波與海洋結(jié)構(gòu)物相互作用可能使其產(chǎn)生高頻振顫等結(jié)構(gòu)相應(yīng)現(xiàn)象， 給潛體的使用壽命和任務(wù)安全都帶來了極大的威脅。在實(shí)際海洋環(huán)境中，必須將內(nèi)孤立波視為潛體運(yùn)行工程中重要的環(huán)境因素。

3 結(jié)束語

隨著海洋內(nèi)孤立波研究的不斷深入， 人們發(fā)現(xiàn)海洋內(nèi)波與物理海洋學(xué)和軍事海洋學(xué)等多領(lǐng)域聯(lián)系緊密，海洋內(nèi)波產(chǎn)生、傳播和消散都對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物和潛體有著至關(guān)重要的影響。 內(nèi)波的不穩(wěn)定性使海洋工程建設(shè)難度增加，其產(chǎn)生的強(qiáng)波作用力甚至可影響潛艇水下武器的發(fā)射，不斷提高對(duì)內(nèi)波的認(rèn)識(shí)，對(duì)國家經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和軍事實(shí)力增強(qiáng)都有重要作用。 本文總結(jié)歸納了眾多學(xué)者對(duì)海洋內(nèi)波及其與海洋結(jié)構(gòu)物和潛體的研究所取得重要研究成果， 但仍有一些問題需要深入探討。

1）海洋內(nèi)波在傳播的過程中，若遇到結(jié)構(gòu)物和地形可能會(huì)發(fā)生不同反射、 折射和散射等復(fù)雜的相互作用，而我國海洋涉及各種復(fù)雜地形，相關(guān)問題應(yīng)考慮和涉及。

2）海洋結(jié)構(gòu)物和潛體在內(nèi)孤立波環(huán)境下的研究大多在兩相或三相流體中進(jìn)行， 理論研究中采用的模型相對(duì)簡(jiǎn)化，這與內(nèi)波的實(shí)際特征并不完全一致。實(shí)際的海洋水體分層、分布往往更加復(fù)雜，還需思考如何更好的模擬海洋中多層流體環(huán)境。