陆坡陆架区非定态内波包对深海平台强非线性作用特性研究

Unstead-state internal wave package is a kind of particularly disastrous ocean phenomenon for deep-sea source exploitation in the South China Sea. However, it still is a challenging issue in nowadays ocean engineering on the harmfulness mechanism that such a particularly ocean environment maybe generate for deep-sea platforms.The project will mainly investigate the effect of the unstead- state internal wave package on the hydrodynamic characteristics of deep-sea platforms, the following work will be carried out: the applicability conditions for some kind of stead-state internal solitary wave theories in the flat topography; strongly nonlinear propagation and evolution characteristics of internal solitary waves over continental slope-shelf areas; interaction characteristics of unstead- state internal wave package with deep-sea platforms over continental slope-shelf areas; the safety analysis and evaluation of deep-sea platforms due to the unstead- state internal wave package over continental slope-shelf areas. On basis of these work, a strongly nonlinear model in time domain will be established for the coupling interaction of the unstead-state internal wave package with deep-sea platforms,a numerical method will be presented for load and dynamic characteristics of deep-sea platforms due to the unstead-state internal wave package, some unconventionally experimental methods will be developed, some key scientific problems will resolved for the safty analysis and evaluation of deep-sea platforms due to the unstead-state internal wave package loads. Moreover, technical characteristics will be deep understood for deep-sea platforms under the particular ocean condition in the South China, some guiding documents will be presented for their designs and applications.The project will provide importanly theoretical ground and technology foundation for deep-sea source exploitation in the South China Sea.

非定态内波包是南海深海资源开发中的一类灾害性海洋现象，有关这种特殊海 现象对深海平台的危害性机理等问题，属于当今海洋工程界面临的挑战性难题之一。本项目 主要研究非定态内波包对深海平台水动力性能的影响，研究内容包括：底部平坦地形中几类 定态内孤立波理论模型的适用性条件；内孤立波沿大坡度陆坡陆架地形强非线性传播演化特 性；陆坡陆架地形中非定态内波包与深海平台相互作用特性；陆坡陆架区非定态内波包中深 海平台安全性分析与评估。通过上述研究，建立非定态内波包对深海平台强非线性时域耦合 相互作用理论模型，提出深海平台载荷及其动力响应特性数值方法，发展相关的非常规模型 实验方法，解决南海非定态内波包载荷作用下深海平台系统安全性分析与评估等关键科学问 题，深化对深海平台在南海这种特殊海洋环境中技术性能的认识，形成适合于南海海洋环境 的深海平台设计与应用的指导性文件，为南海深海资开发提供科学依据和技术保障。

利用大型度密度分层水槽，采用将两块与水槽等宽的推板反向平推的方法，发展了一种新的实验室造波技术，实现了内孤立波的振幅可控。开展系列实验，研究了KdV、eKdV、 mKdV 和 MCC 这四类两层流体内孤立波理论模型的适用性问题。结果表明，对以水深为基准定义的非线性参数ε和色散参数µ，存在一个临界色散参数µ0，当µ<µ0时，KdV 理论适用于ε≤µ的情况，eKdV理论适用于µ<ε ≤√(µ)的情况，而MCC 理论适用于ε >√(µ)的情况，而且当µ ≥µ0 时MCC 理论也是适用的。结果进一步表明，当上下层流体深度比并不接近其临界值时,mKdV 理论主要适用于内孤立波振幅接近其理论极限振幅的情况，但这时 MCC 理论同样适用。. 基于两层流体中内孤立波 KdV、eKdV 和 MCC 理论的适用性条件,建立了Spar、半潜、张力腿和FPSO四类深海浮式平台内孤立波载荷理论模型。研究表明，前三类平台的内孤立波水平力包括水平Froude-Krylov力、惯性力和拖曳力三个部分，第四类平台的水平力包括Froude-Krylov力和摩擦力两个部分，而内孤立波垂向力主要为垂向Froude-Krylov力。对惯性力和拖曳力可以由 Morison 公式进行计算，而对 Froude-Krylov 力则可以用内孤立波诱导 的动压力进行计算。.在大型重力式密度分层水槽中，对内孤立波作用下这四类平台的载荷特性开展了系列实验，结合相关实验结果，针对Morison 式中两个经验系数及摩擦力系数在内孤立波环境下的取值建立了相关计算方法，研究并分析了四类平台的内孤立波载荷特 性及其变化规律。. 将所建立的内孤立波载荷理论模型与Spar、半潜、张力腿和FPSO四类平台浮体的非线性运动方程及其系泊动力学模型进行耦合，建立了内孤立波与这四类式平台强非线性作用的理论模型。以南海实测内孤立波特征参数为依据，对内孤立波作用下四类平台的动态载荷、运动响应及其系泊动力特性进行了系列数值模拟与分析，获得了这些水动力量的时历变化特性及其幅值随内孤立波振幅和密度分层参数的变化规律。. 研究表明，内孤立波不仅会对四类平台产生突发性冲击载荷作用，使其产生大幅度水平漂移运动，而且还会使其系泊张力显著增大。因此，在四类深海浮式平台的设计与应用中，内孤立波的影响是不可忽视的。