畸形波的动力学机理及其对深海平台强非线性作用研究

Deepwater platforms have been the hot topics in the research and development fields of offshore engineering allover the world. One of the most important objectives in the research and development of the deepwater platforms should be how to improve and assure the safety performance in the extremely severe environments, such as the freak waves. In the present project, the dynamics mechanism of the freak wave and its nonlinear interaction with the deepwater platforms are to be investigated. The research content includes the following issues: the characteristics and the mechanism of the generation and propagation of freak waves in deepwater seastates; the nonlinear interaction between the freak wave and the deepwater platform with mooring system; wave run-up, air gap and wave impact on the structure exposed to freak waves; structural analysis of the nonlinear dynamic response and buckling induced by the freak waves; the relevant experimental methods and studies. Through the research, the following objectives are expected: reveal the dynamic mechanism of the generation and propagation of freak waves, the fluid-air-structure coupling in the wave impact phenomenon; intensively understand the physics and the characteristics of the nonlinear extreme wave loads and motion response, the wave run-up and wave impact, the structural dynamic response for the platform exposed to freak waves; establish the relevant theoretial models, analytical methods, numerical and experimental methods. The research will significantly improve the understanding on the issues of the freak wave and its interaction with deepwater platforms. The theory and the analytical, numerical and expermental methods are very helpful for the evaluation of the safety performance of the deepwater offshore structures exposed to extremely severe environments.

深海平台已成为国际海洋工程领域的前沿科技研究热点，其如何克服深海恶劣的自然环境，确保海上安全，是海洋工程科技研究的首要命题。本项目针对畸形波的动力学机理及其与深海平台的非线性相互作用问题，开展深入研究探索，内容包括：深海环境中畸形波特性与生成演化机制，畸形波与深海平台系统的非线性相互作用，波浪爬升、气隙与波浪砰击特性，畸形波作用下浮式平台结构的非线性动力响应与动态屈曲分析，以及相关精细模型实验方法。通过项目研究，揭示畸形波生成和演化机理、波浪砰击中的流-气-固三相耦合机理，深入认知深海平台结构在畸形波作用下的非线性极端波浪载荷与运动响应、波浪爬升与波浪砰击、结构动态多模态屈曲等的物理特性和规律，建立相关理论模型和分析方法、数值模拟与模型实验方法。研究成果将显著提升关于畸形波问题及其对深海平台作用机制和规律的认知，为深海工程装备在极端波浪环境中的安全性评估提供理论基础和分析方法。

本项目针对畸形波的动力学机理及其与深海平台的非线性相互作用问题，深入开展了基础性、前沿性研究，在深海环境中畸形波特性与生成演化机制，畸形波与深海平台系统的非线性相互作用，波浪爬升、气隙与波浪砰击特性，畸形波作用下浮式平台结构的非线性动力响应与动态屈曲分析，以及畸形波与深海平台相互作用精细模型实验方法等方面取得了重要的研究成果。基于波浪的调制不稳定性聚焦机理，应用非线性波浪演化过程的数学模型，提出了利用离散步长-虚拟波谱方法求解四阶非线性薛定谔方程，对畸形波的发展、演化、变形过程和规律进行了数值模拟，揭示了强非线性极端波浪的生成机理。针对波浪爬升问题，从爬升幅值、曲线波动位置、立柱迎浪投影面形状等因素出发，探讨了波浪爬升效应和自由表面漩涡形成的内在机理，建立了用于求解畸形波与深海结构物相互作用的CFD数值模拟方案，给出了极端波浪下平台周围水体的运动特征。针对非线性波浪力，开展了精细模型试验研究，提出了基于小波变换的波浪力传递函数，能够可靠地分析瞬态响应中的波浪力和波浪的对应关系，进一步地，基于小波谱与自相关谱对畸形波及其波浪力的能量结构开展研究，阐明了波浪力非线性高频成分对波浪力峰值的贡献及其来源，采用改进惠勒拉伸模型与频变惯性力系数相结合的方法，提出了畸形波条件下的非线性波浪力的理论预报模型。在非线性动力响应与动态屈曲分析问题上，提出了可以处理自由液面流动和强砰击作用的隐式整体流固耦合算法，研究了畸形波与海洋结构物的相互作用，分析了畸形波的砰击载荷和结构的水弹性响应，深入认知深海平台结构在畸形波作用下的非线性极端响应的物理特性和规律。本项目的研究成果，显著提升了关于畸形波问题及其对深海平台作用机制和规律的认知，形成了畸形波的动力学机理及其与深海平台的非线性相互作用的理论体系，对深海工程装备在极端波浪环境中的安全性评估提供了理论基础和分析方法。