内波流场特性及其与海洋结构物作用机理研究

海洋内波导致的采油平台振动、钻井机扭转、潜艇升沉等事故频繁发生，因此内波与海洋工程结构物的相互作用成为海洋工程的重要研究课题之一，而内波的波致流是内波对海洋结构物作用的关键环境要素。以往对内波研究工作的重点在内波演化及其传播规律上，内波流场研究相对薄弱，因此开展内波流场特性分析是研究内波与结构物相互作用的前提。本项目结合内波的现场观测资料，研究各类内波，特别是大振幅长内波所致流场的基本特性，诸如内波流场结构的时空分布，典型海域环境参数（包括分层流体厚度、相对密度差等）对流场的影响等。通过渐近分析等理论方法，结合数值模拟和现场观测资料，建立浅海、中深海和深海三种情形下合理的分层介质内波诱导的流场结构模型。从而进一步揭示内波与海洋结构物的相互作用机理，了解内波对平台安全造成威胁的原因，并提出相应的预防措施。

本项目通过理论分析与数值计算相结合的方法，深入分析长内波流场特性、内波载荷与平台响应，解决内波对海洋平台的作用机理等关键科学问题，发表两篇国际会议论文和一项已授权专利，并在《深水半潜式钻井平台设计与建造技术》一书中，作为主要编写人完成了第五章中第三节题为“内波对半潜式钻井平台总体响应”的撰写工作。研究成果得到国内外同行专家的认可，并针对工程实际需求提出浮式平台的概念设计方法，为自主设计深海浮式平台提供科学依据。.内波流场特性：着重研究为以往学术界忽视的内波流场特征。主要运用渐近分析的方法，给出了分层介质长内孤立波诱导的水平和垂向流场结构的近似公式，分析了随内波传播时内波流场的演化规律以及长内孤立波传播时所致内波流场的物理特性和两层流体上下层厚度和相对密度差等环境参数对流场的影响。研究结果表明：内波流场沿波的传播方向水平分量呈脉冲状分布，垂向分量呈正负相间类脉冲状分布；沿水深方向基本均匀。内波流场的垂向分量比水平分量约小1个量阶。推测内波强大的水平流速分量可能对海洋平台造成整体推移的动力因素，并可导致平台事故。.内波载荷与响应：建立了内波载荷与运动响应计算模型，得到了浮式平台水动力系数在内波环境下的变化规律。针对典型浮式平台的计算结果表明，内孤立波荷载约占南海50年一遇表面波载荷的20%-30%左右。.内波对海洋平台的作用机理：由于长内波流场的水平速度沿水深分布几乎均匀，但在跃层附近呈现明显的剪切特征，最大速度发生在内孤立波波峰经过的时刻，因此得到了“内波主要以波致流的形式作用于海洋平台系统”的认识。.深水平台概念设计：根据内波流场特性及内波对浮式平台的作用机理，提出未来深水平台概念设计的有关建议，为深水油气资源开发工程和深水平台概念设计提供科学依据。