深海内孤立波环境中浮式水中人工海床装置水动力特性研究

The new conceptual deep-sea engineering equipment on the basis of Floating Underwater Artificial Seabed (artificial seabed for short) unit can provide effective solutions for promoting the adaptability of severe deep-sea environmental elements. Nonetheless, the deep-sea internal solitary waves are the most critical factor for affecting hydrodynamic characteristics and structure dynamic characteristics of the artificial seabed unit. This project aims to carry out the study on the acting mechanism and laws of the artificial seabed unit in large amplitude and nonlinear internal solitary waves. At first, the prediction method is established for predicting the deep-sea internal solitary wave loads on the artificial seabed. Further, the internal solitary wave induced three-dimensional flow characteristics around the artificial seabed are analyzed. The influencing rule and mechanism of the hydrodynamic performance of the artificial seabed induced by Reynolds number, KC number, hydrodynamic coefficients and stratified parameters are studied. The coupling relationship between these influence parameters is established, and the sensitivity of each parameter is revealed. Afterwards, the study builds the time-domain calculation models for the coupling-interaction of the internal solitary waves with the artificial seabed, and its mechanism of the transient dynamic amplification is revealed. Finally, the research methods, calculation models and conclusions are verified by the physical model experiments. To sum up, this research aims to solve the key and crucial issues of the design, operation and maintenance of the new conceptual deep-sea engineering equipment on the basis of the artificial seabed unit. In addition, it is expected to play an important role in solving the related scientific problems as well as advancing the academic development in deep-sea internal waves in the field of ocean engineering.

基于浮式水中人工海床（简称“人工海床”）装置的新概念深水海洋工程装备能够为提升深海灾害性海洋环境要素适应性提供有效解决方案，但深海内孤立波是影响人工海床装置水动力特性及结构动力响应特性的关键性因素。本项目旨在对大振幅非线性内孤立波对人工海床装置的作用机理及规律实施研究。首先，建立深海内孤立波中人工海床装置所受环境载荷的预报方法；进而，分析内孤立波下人工海床的三维绕流特征，探寻雷诺数Re、KC数、水动力系数及分层流体参数等的影响规律及机理，建立各参数耦合关系，揭示各参数敏感性；然后，建立内孤立波与人工海床作用的时域耦合计算模型，揭示人工海床结构瞬态动力放大机理。最后，通过物理模型实验验证研究方法、模型以及结论的正确性。本项目旨在解决基于人工海床装置的新概念深水海洋工程装备设计和运营维护中的关键核心问题，同时期待为解决深海内波环境中海洋工程领域的相关科学问题和推动该领域的学术发展发挥重要作用。

新概念人工海床装置能够为提升强风、巨浪、表面强流等深海灾害性海洋环境要素适应性提供有效解决方案，但深海内孤立波是影响人工海床装置水动力特性和结构动力响应特性的关键性因素。本项目采用理论分析、数值模拟和物理模型实验的方法系统研究了大振幅非线性内孤立波对人工海床装置的作用机理和规律。.首先，采用eKdV方程为理论模型，建立了内孤立波数值水槽，选择速度入口造波方法，以入口平均水平速度为造波边界，对内孤立波进行数值造波模拟，将数值造波结果与理论解进行了对比，结果表明：采用该数值方法得到的内孤立波波形、内孤立波诱导水平速度沿垂向分布变化规律与理论解基本一致。.其次，在国防科技大学大型重力式分层流试验水槽中，进行了人工海床装置内孤立波作用试验，采用电导率探头阵列技术、染色摄影技术以及PIV示踪粒子技术获得内孤立波波形和波致流场的分布特性。利用三分力测力天平测量人工海床装置在不同的上下层流体深度比、不同的内孤立波振幅和不同的垂向深度时所受到的作用力。将数值模拟的计算值与实验值进行对比，结果表明：实验造波所得波形和波致流场分布与eKdV理论较为吻合，人工海床所受的内孤立波载荷（水平力、垂向力和力矩）会随着内孤立波振幅的增大而逐渐增大。此外，当内孤立波正好穿过人工海床时，其所受的内孤立波载荷最大，并且当上下层流体深度比发生变化时，作用在人工海床上的垂向力所受到的影响比水平力和力矩要大。.最后，系统研究了人工海床装置的运动响应及其系泊动力等水动力参量幅值随内孤立波波幅和分层流体参数的变化规律，研究了人工海床装置在背景内孤立波场作用下的结构瞬态动力响应及大振幅非线性运动机理。结果表明：内孤立波对人工海床装置的作用主要体现在纵荡方向的水平运动，在垂直系泊系统的作用下，人工海床的垂荡及纵摇运动较小，但系泊张力的变化幅值较大。.项目在研期间，培养了博士研究生5名，硕士研究生2名；授权中国发明专利8项、软件著作权1项；发表和录用学术论文18篇，其中SCI检索英文论文10篇，EI检索英文论文15篇。.本项目研究夯实了大振幅非线性内孤立波对新概念人工海床装置的作用机理和规律，为解决新概念人工海床装置在设计和维护中的关键核心问题提供了理论依据。