多种海啸波诱发的瞬变港湾共振研究

Harbor resonance refers to the phenomenon of long-period water body oscillations inside semi-enclosed bays or harbors induced by certain external motivating factors. Tsunamis are one of the main oceanic hydrodynamic factors which can induce transient harbor resonance. The harbor resonance induced by the tsunami with lower energy can remarkably interrupt cargo handling of ships moored inside the harbor. While the oscillations excited by the tsunami with higher energy tend to cause breaking of mooring lines and shipwrecks, which are usually very destructive. The past studies on the transient harbor resonance induced by tsunamis were more confined to using solitary waves to represent real tsunamis, and only the elongated one-dimensional harbor with flat or constant slope bottom was considered. Obviously, it is difficult to use the simplified tsunamis and the idealized harbor with very simple topography and geometry to comprehensively reflect the interaction between tsunamis and harbors. This project will conduct numerical simulations and physical model experiments to study differences and similarities of generating mechanisms of transient harbor resonance excited by multiform tsunamis, and explore the effects of different topographies and geometries of the harbor on the transient oscillations generated by tsunamis. This project will improve the knowledge on the influence mechanisms of multiform tsunamis and topographical and geometrical variation of the harbor on transient harbor resonance, and will provide a solid foundation for further study on how to reduce the damage related to transient harbor resonance induced by tsunamis.

港湾共振是指半封闭港湾在受到外力作用时产生的长周期的水体共振现象。海啸波是诱发瞬变港湾共振的最主要的海洋水动力因素之一。能量较小的海啸波诱发的港湾共振会显著干扰港内船舶的装卸作业，而能量较大的海啸波产生的共振则往往会引起港内船舶的断缆及翻船等事故，具有很强的破坏性。之前对海啸波诱发的瞬变港湾共振研究多局限于使用孤立波进行研究，且仅研究具有平底或线性底坡的狭长型一维港湾。显然，简单的入射海啸波形式和简单的港口地形和平面形状的使用难以全面反映海啸波与港湾的相互作用。本课题采用数值模拟和模型实验相结合的方法，从入射海啸波的不同形式和港口地形、形状变化这三个重要影响因素出发，系统研究不同形式海啸波诱发的瞬变港湾共振机理的异同，揭示不同港口地形和形状对瞬变港湾共振的影响。本课题将拓展不同形式海啸波和港口地形、形状的变化对港湾共振影响机理的认识，为进一步研究如何有效地减小这一危害提供坚实基础。

港湾共振是指当近岸海域的低频波浪传播到港湾内时，如果其频率和港湾的共振频率相一致，那么就会激起港湾内的长周期的水体共振的现象。在国外，该研究方向早在上世纪50年代就已经开始被学者关注并进行研究。然而，我国目前从事该领域研究的学者较少，研究工作尚处于起步阶段。在实际的港口规划设计过程中，港湾共振也很少被设计人员考虑在内。.本项目系统研究了多种形式海啸波（包括孤立波、连续孤立波、不同形式N波、港内初始水面扰动和聚焦波群等）所诱发的瞬变港湾共振现象，全面揭示了不同形式海啸波诱导产生港湾共振的机理，并比较它们之间的异同；揭示了当不同形式的海啸波入射时，多种复杂的港内地形对于瞬变港湾共振的影响，找出能够最大程度缓解海啸波诱发的瞬变港湾共振的港内地形；探讨了二维港湾内海啸波诱发的瞬变港湾共振的水动力特性和影响规律，比较它们同一维港湾内瞬变共振问题的异同。另外，基于本课题，项目团队还对港外地形对港湾共振水动力特性的影响、入射波要素变化和地形变化对于窄缝共振水动力特性的影响等进行了拓展研究。通过项目组全体成员的努力，本课题取得的丰硕的研究成果，已发表或录用论文23篇，其中SCI检索论文15篇 （Coastal Engineering 2篇，Ocean Engineering 9篇，Applied Ocean Research 1篇，Ocean Dynamics 3篇）。本课题的研究成果极大增加了人们对于不同形式海啸波产生瞬变港湾共振现象的认识。.主要研究结论包括：(1) 对于海啸波入射诱发的瞬变港湾共振，港内波浪能量在各共振模态上的分布与入射海啸波波高密切相关。具体而言，外海入射海啸波波高越大，港内波能在各模态上的分布越趋均匀。(2) 入射海啸波形式对于港内波能在各模态上的分布特征以及海啸波在港内的最大爬高特征均有显著的影响。(3) 港内初始水面扰动的位置对于不同港湾共振模态的激发程度有显著影响。(4) 港内、港外地形对入射海啸波在港内的最大爬高和港内能量部分均有显著影响。