海底溃坝式异重流演化机理及与海洋结构物动力响应研究

The complexity of sea bottom environment is usually the most important reason for sub-sea  accidents and structure failures. Among the complexities, "gravity current" is the main component, whose effect on offshore units can not be ignored. Gravity current can be critical to the safety of offshore structures and installation. The loads induced but gravity current could damage the structure or disable the installation, which causes extremely high loss. However, by now, the researches on the evolution mechanisms of gravity current and the studies on the interactions between gravity current and offshore structures are seldom seen in literature， which means the installation and design of offshore platforms are taking great risk. Gravity current is one of the most popular topics desired in today ocean engineering field. .In this project, an in-depth research is to be carried out including the following five parts: the flow characteristics of gravity current and its evolution mechanism; the spatial-temporal characteristics and formation mechanisms of gravity currents in typical areas; the interactions between the gravity current and the offshore structures; the influences of gravity currents on the installations at sea; subtle model test methods of gravity current..The complementary research, which consists of theoretical analysis, numerical simulation, model test and field measurement techniques, will deeply discover the evolution mechanisms of gravity current and its impact on offshore structures taking into account density ratio, seabed topographic, position and geometry of offshore units, etc.. It is expected the output of this research will provide important theoretical and technical support to the design and installation of offshore units.

海洋时常暗流涌动，复杂的海流环境往往是造成海上施工事故和海洋结构物破坏的罪魁祸首，而异重流的存在是上述流场形态形成的主要原因，异重流对海洋结构物的作用不可忽视。研究异重流的形成演化机理及其与海洋结构物的相互作用，对于水下结构的安全起着至关重要的作用。目前国内外对海洋异重流的研究不足，对其与结构物作用的研究更为少见，异重流的现象和机理亟待发掘。本课题通过理论分析、模型试验和数值模拟的研究方法，对海底异重流的特征、演化过程及形成机制进行研究，综合考虑液体密度比、海底地形、结构物的位置和形状等情况，重点围绕固定式和系泊结构物在异重流作用下的动态响应研究。模拟异重流中边界层分离、漩涡形成和脱落等，采用高速摄像和图像处理技术以及PIV精细测量方法，量化结构物的运动响应，研究成果将为海洋工程结构在异重流等特殊海洋环境中的施工及安全性评估提供重要理论及技术支撑。

海洋时常暗流涌动，较大水深处往往存在异常大的流动，复杂的海流环境往往是造成海上施工事故和海洋结构物破坏的罪魁祸首，而异重流的存在是上述流场形态形成的主要原因。.本项目主要采用模型试验和数值模拟相结合的方法，以异重流和结构物为主要研究对象，针对异重流的模拟、异重流的三维流场与演化特性、固定结构物所受升阻力、系泊结构物的运动响应、异重流与多结构物相互作用以及海底凹槽地形下结构物受力特性等问题开展了深入的研究分析。.基于能量守恒定理和浅水理论，推导异重流头部传播速度的理论公式分析，异重流的演化机理。同时，对异重流开展三维CFD 数值模拟表明，异重流的运动具有明显的三维特性，异重流头部位置存在横向上的空间差异。混合层盐水与淡水的掺混剧烈，非混合处不存在盐水与淡水的掺混，流动较为稳定，且越接近底面流动越稳定。.并结合数值计算结果与异重流模型试验，研究固定结构物在异重流作用下的漩涡脱落特性、载荷特性以及流场形态。研究发现，结构物在异重流中所受流力，压力是主要成分；混合区的流体作用于位置较高的方柱的时会致使其在平衡位置附近波动。同时，异重流的密度比对结构物运动影响较大，而且密度比越大，结构物的运动越剧烈。.进一步研究异重流与多结构相互作用下，异重流流场特性、头部速度变化以及结构物受力特性。研究表明，改变结构物间距、数量和高度能够明显的改变异重流的头部速度。当结构物较为紧密时，首个结构物的受力明显高于其他结构物的受力。末尾结构物则由于水跃现象的产生在流场进入准稳态后仍受较大阻力。结构物的形状改变对于结构物所受升力的影响十分明显。.采用数值计算的方法，研究异重流在海底凹槽地形下结构物的载荷特性。研究表明，位于凹槽底的结构物其所受升力只受正向的升力作用；而位置较高的结构物，则还会受到负向的阻力。减速格栅的存在能够有效地降低结构物所受作用力，降低升力效果显著，并使得结构物的受力产生滞后性。