平面形状与水深变化对港湾共振的影响机理

When ocean waves of certain periods come into a harbor opening, they are often trapped and amplified. The phenomenon of such external energy trapped in a semi-enclosed domain and exciting large oscillations is called harbor resonance. It can create unacceptable vessel motions, leading to breaking of mooring lines or shipwrecks, and has been one of the hot issues in coastal engineering. Harbor resonance is significantly affected by the geometric and depth. The project will investigate effects of geometries on harbor resonance by theoretical analysis and numerical simulations; and propose optimal shapes by comparing oscillations within different shapes, in which shapes the resonance is smallest; and then conduct experiments to verify them. Formulary descriptions of oscillations within a harbor of variable depth will be derived, and the effect of water depth on harbor resonance will be examined. The generation mechanism of transverse resonance within the harbor of variable depth will be investigated from the nonlinear interaction between longitudinal and transverse oscillations. Numerical simulations and physical experiments will be further conducted to verify the results. .The project is hoped to reveal the effects of shape and depth on harbor resonance, and improve the understanding of this phenomenon, which is essential for a good harbor design in real.

港湾共振是指半封闭港湾在受到外力作用下出现的周期性水面波动现象。它可使停靠在码头的船舶产生大幅晃动甚至导致断缆及翻船等事故，一直是海岸工程研究的热点问题之一。本项目采用理论分析、数值模拟与模型试验相结合的方法，从港湾的平面形状和水深变化这两个重要影响因素出发，探索其对港湾共振的影响机理。研究各种不同形状港湾内的水波共振，揭示波浪运动的混沌现象与港湾共振间的关系，探求不发生共振或共振最小的港湾形状。推导变水深港湾内水波共振的运动形式，分析水深变化对港湾共振的影响；从纵向与横向共振间非线性相互作用探讨变水深港湾内横向共振的诱发机理；并进行数值模拟和模型试验验证。.本研究工作的开展将揭示平面形状和水深变化对港湾共振的影响机理，加深港湾共振这一特殊波浪运动的本质认识，为进一步研究如何有效地减小和避免这一危害提供理论基础。

港湾共振是指半封闭港湾在受到外力作用下出现的周期性水面波动现象。它可使停靠在码头的船舶产生大幅晃动甚至导致断缆及翻船等事故，一直是海岸工程研究的热点问题之一。本项目从港湾的平面形状和水深变化这两个重要影响因素出发，探索其对港湾共振的影响机理。.本项目基于港湾的几何特征，将波数k矢量分解，提出矩形、正五边形及正六边形港湾内共振特征参数的计算方法。基于线性长波理论，给出了椭圆形港湾内水波共振的解析解。采用数值模型模拟研究了矩形、正五/六边形、椭圆及其拓展形港湾内的水波共振现象，通过定义无量纲参数熵定量比较了不同港湾内各模态能量分布的集散度。结果表明矩形及其拓展形港湾发生共振时，能量分布比其它形状港湾都均匀。因此，实际工程设计中应首先考虑矩形及其扩展形状。.基于线性浅水方程，给出了港内地形为双曲正弦型和指数型的港湾纵向与横向共振解析解，分析比较了水深变化对港湾振荡的影响。采用物理模型试验与数值模拟相结合的方法，研究了变水深港湾内横向共振的不稳定性激发机制，提出了非线性波动不稳定模拟新方法。结果表明，只有在港内地形变化较陡时，横向共振的两倍频激发现象明显；然而港内底床横向微小倾斜时的横向同频共振非常强烈。基于线性水波理论证实了变水深港湾内横向共振的不稳定特性，从理论上给出横向共振向外海辐射能量的区域范围。采用完全非线性Boussinesq模型模拟研究了浅水重力波的长时间演化过程，从水波概念上解释了系统在孤立波、FPU重现及能量均分间演化的联系：只有水波演化的初始条件为非线性和色散性完全平衡时，FPU重现才会出现，任何背离这一平衡的演化最终都会导致能量均分出现。.在本课题的资助下，共发表学术论文15篇，其中5篇SCI检索；研究分别获得“第十六届中国海洋（岸）工程学术讨论会青年优秀论文奖”和“第十七届中国海洋（岸）工程学术讨论会优秀论文奖”。