考虑粘性效应的波-流和海洋结构物相互作用的全非线性模拟研究

Waves and currents usually coexist in real ocean environment. The wave and current not only affect the hydrodynamic forces on ocean structures such as TLPs and their corresponding motions, but also may destroy these structures and hence cause some problems on safety. The wave has stronger nonlinear features and the current velocity is larger in severe ocean environment, and the viscous and vortex effects are clear when they act on the ocean structure. The linear, second order or even the fully nonlinear theory are not suitable for this situation. We employed an arbitrary Lagrangian-Euler finite element method to solve the Navier-Stokes equation for studying interactions between the wave-current and the ocean structure, and a group of wave parameters (wave heights, wave frequencies and their propagation directions) and current parameters (current velocities and directions) are used in the present study for calculating wave runups along the structure and analyzing the mutual influence on each other for the wave and the current, which may provide technical support for the design of ocean structures. We will make comparisons between the fully nonlniear results and the previous linear and second order solutions to validate the efficiency of the present numerical method.

在实际海洋环境中，波浪和水流通常是同时存在的。波-流联合作用不仅影响海洋结构物的受力和运动，其产生的水动力载荷甚至会导致结构物受到破坏从而影响其安全性。恶劣海况下波浪的非线性特性很强且水流的速度较大，其与结构物作用时的粘性效应和涡旋效应显著，传统的基于势流的线性、二阶甚至全非线性理论均不适于求解此类问题。本研究采用任意拉格朗日-欧拉有限元法来对海洋结构物如张力腿平台和波-流的全非线性相互作用问题进行数值模拟和试验研究，直接求解Navier-Stokes方程，采用若干组不同参数的波浪（波高、波浪频率和传播方向不同）以及不同参数的水流（流速和方向不同）来计算结构物处的波浪爬高及作用在结构物上的水动力载荷及相应运动响应，同时分析水流和波浪的相互影响，为张力腿平台等海洋结构物的设计和安全运行提供技术支撑。本研究的结果将通过和试验及其它数值方法如时域二阶理论的计算结果进行对比来验证计算方法的有效性。

海洋结构物在波-流联合作用下和只在波浪作用下的受力和运动会有显著不同，其产生的水动力载荷可能导致结构物受到破坏从而影响其安全性。本研究采用任意拉格朗日-欧拉有限元法来对海洋结构物如张力腿平台和波-流的非线性相互作用问题进行数值模拟和试验研究，计算不同波流参数（波幅、频率以及流速等）情况下作用在结构物上的水动力载荷及相应波浪爬高，同时分析水流和波浪的相互影响，主要研究内容如下：. (一) 大幅波与较强水流的相互作用和相互影响研究。通过改变入射波的波高和波浪频率以及流速的大小（逆流和顺流两种情况）来进行数值模拟，分析波浪和水流的相互影响，通过与有关文献提供的解析解或数值解（如二阶解）进行对比来验证计算方法的有效性。通过对比表明本数值方法是有效的。数值模拟结果显示在不同流速下波浪的Doppler效应，即顺流时波长变大而波高减小，逆流时波长变短但波高增大。. (二) 波-流对结构物如固定垂直圆柱（群）的非线性作用研究。对单个圆柱和简化 TLP（即四个垂直圆柱群）均进行了数值模拟。数值结果和相关文献的结果以及试验结果进行对比，在大部分情况下二者符合较好。数值模拟结果显示流速会显著影响结构物所受水动力以及相应波浪爬高。. (三) 开展TLP在波-流联合作用下的试验研究工作。试验在华中科技大学拖曳水池完成，进行了若干不同波高和波长以及几组流速情况下的试验，并将试验结果和数值模拟计算所得结果进行了对比分析。. 本项目提供一套基于任意拉格朗日-欧拉有限元法模拟波-流和海洋结构物相互作用数值模拟方法，探讨波-流与海洋结构物相互作用机理，为我国海洋结构物的设计提供技术支撑。