极端波浪条件下跨海桥梁周围水动力特性及多尺度模拟方法研究

In the past few decades, there have been many examples of significant damage to coastal infrastructure, especially bridges, due to extreme surge waves generated by hurricanes. The generation, propagation, and evolution of extreme surge waves, and their final impact at coastal bridges are typical multiscale coastal flow phenomena. Currently, we are short of powerful research tool to integratedly investigate the multiscale hydrodynamic characteristics involved in extreme surge wave impacting coastal bridges. This project is proposed to develop a set of theories on multiscale coastal flow, and establish a hybrid multiscale coastal flow model to numerically study the damage mechanism of coastal bridges subjected to extreme surge waves. Effects of sea level rise, variation in elevation of sea bed, and changes in hurricane strength and track have been accounted. It is believed the outcomes of this project can broaden our knowledge on the multiscale coastal flow, and should be instructive to the future design and construction of coastal bridges.

在过去几十年中，飓风和台风引起的极端波浪对跨海设施，尤其是跨海桥梁造成了严重的破坏。造成跨海桥梁破坏的极端波浪的产生、传播与发展、以及与跨海桥梁之间复杂的相互作用机制是典型的多尺度海岸流动现象。现有实验手段和数值模拟方法难以高效、整体、同步地描述这种多尺度海岸流动过程。本课题以极端波浪对跨海桥梁的作用机制为研究对象，探索多尺度海岸流动计算方法与理论，解决跨尺度海岸流动数值模拟难题，建立能够模拟带有自由面的多尺度海岸流动耦合数学模型，开展多尺度海岸流动数值模拟研究，系统分析在极端波浪条件下跨海桥梁的水动力载荷和流场特性，并且综合考虑海平面上升、海岸底部三维地形变化、桥梁动态响应、以及飓风和台风路径、强度变化的影响，力争为沿海地区海岸工程建设与防灾减灾提供科学依据与技术支持。

飓风和台风等极端气象条件下，真实的海洋环境下风-浪-流共存，他们之间存在复杂的相互作用，对海岸桥梁构成潜在威胁。造成海岸桥梁破坏的极端波浪的产生、传播与发展、以及与跨海桥梁之间复杂的相互作用机制是典型的多尺度海岸流动现象。为克服现有数值计算方法和实验手段的不足，本课题以极端波浪作用下海岸桥梁的水动力特性及破坏机理为研究对象，推导了多尺度海岸流动计算方法，一定程度上解决了多尺度海岸流动数值模拟的难题，平且开发了能够模拟带有自由面的多尺度海岸流动耦合数学模型。通过设置合理的计算工况，开展了多尺度海岸流动的数值模拟研究工作，系统分析了在极端波浪条件下海岸桥梁的水动力特性，并且综合考虑海平面上升、桥梁动态响应、以及飓风路径变化、以及风-浪-流耦合作用对桥梁水动力特性及安全性的影响。在项目资助下，共发表学术论文25篇，其中项目主持人以第一作者和通讯作者在海岸工程领域国际知名期刊上发表论文12篇。已培养3名硕士研究生，顺利完成了项目的科研要求。项目共投入经费24万，支出23.1298万，目前结余0.8702万，剩余经费计划用于本课题后续支出。