极值波浪和水流混合与海洋结构物作用的模拟研究

在复杂的海洋环境内，船舶等海洋结构物会遭遇到突然出现的极值波浪和海流混合作用而引起倾覆乃至破坏。本研究将应用完全非线性水波理论建立极值波浪和水流混合与海洋结构物作用的数学模型，采用基于域内源造波技术的快速多极子高阶边界元方法求解边界积分方程，运用非线性有限元动力分析方法对系泊浮体的系泊缆索进行建模和分析。通过实时模拟水流作用下极值波浪的演化过程和极值波浪与水流混合对海洋结构物的动力作用过程，研究水流影响下的极值波浪的波群包络形状、波频间的调制关系以及内部运动过程和水动力学机理，研究极值波、流作用下的结构荷载和非线性运动响应，并给出系泊系统受力。在海岸和近海工程国家重点实验室内开展极值波浪和水流混合作用的模型试验，研究水流流速和流向对极值波浪非线性特性、结构物的极值波浪荷载和非线性运动响应的影响规律，与数值结果相互验证。项目成果将有助于对复杂海洋环境的深入了解，为工程结构安全性设计提供参考。

在真实海域，波流往往是共存的，在某些情况下还会有极值波浪出现，研究水流对极值波浪特性影响和极值波浪与水流混合对工程结构作用具有重要意义。本研究基于时域高阶边界元方法，并应用水波势流理论，建立了模拟波流混合作用的完全非线性数值波浪模型，造波实现了域内源造波和推板造波，并结合布置在造波边界附近的阻尼层可实现长时间模拟，采用加速度势方法来计算波流荷载，对于浮体的系泊缆索，采用基于细长杆理论的有限元方法进行求解。通过与开展模型试验的数据及已发表结果的对比，对所建模型进行了验证。研究了均匀流对规则波、双色波、聚焦波非线性特性影响及波流混合对工程结构的相互作用。在淹没潜体诱发的共振谐波与水流相互作用中发现，顺流中反射系数增大逆流中反射系数减小，一阶反射共振谐波对应的结构特征长度不受水流影响；堤后基频波和高阶自由波之间能量交换会被顺流加强逆流减弱，二阶透射共振谐波对应的结构特征长度随着流速的增大而增长。聚焦波在顺流作用下会减弱能量从基频向高频转移，极值波峰会减小，聚焦位置会向下游偏移，聚焦时刻会滞后，逆流情况下反之。但是对于强逆流，会阻塞部分高频波浪不能传播到聚焦位置，导致聚焦波峰的降低。波浪的聚焦和解焦过程在净水、顺流和弱逆流作用下都是可逆的，但是强逆流作用下就是非可逆的了。当波频率为浮式结构物垂向自振频率的三倍时，会发生高频共振响应，水流对运动响应影响不大。聚焦波作用在结构上的荷载和爬高会受结构摆放的位置影响，在聚焦位置达到最大，并沿着这点在空间呈对称性分布，由于二阶差频项贡献性质不同，导致波浪爬高随着非线性增强而增大，而荷载则相反；随着水流的引入及其速度的增大，爬高和荷载都会增大，但在某一临界速度会达到峰值。研究成果已经在国内外期刊和学术会议上发表学术论文31篇，其中被SCI收录10篇。