高寧波，楊建民，李 欣

（上海交通大學(xué)，上海200030）

0 引言

隨著陸地及淺海資源的枯竭，海上油氣等資源的開發(fā)不得不向更深、環(huán)境更惡劣的深海發(fā)展，因此如何確保惡劣海況下海洋結(jié)構(gòu)的安全就顯得愈發(fā)重要?；尾ㄊ且粯O端波浪，具有突出的波高、波峰波谷的非對稱性以及在波峰前有可怕的“深海巨洞”等顯著特征，且多發(fā)生于墨西哥灣、臺灣海峽、南中國海、日本海、北海等海洋氣象條件惡劣的海域，例如著名的“新年波”［1］就發(fā)生在北海海域（如圖1所示）。這些海域海上生產(chǎn)作業(yè)繁忙，因此畸形波作用下海洋結(jié)構(gòu)物的安全問題就非常突出。在海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計過程中，極端海況下畸形波的影響、畸形波的生成機(jī)理、畸形波對結(jié)構(gòu)物載荷的有效簡化模型以及畸形波對浮式海洋平臺的抨擊、氣隙、甲板上浪等問題均需給予足夠重視。

目前，針對畸形波的研究更多集中在揭示其生成機(jī)理［2］，利用數(shù)值或?qū)嶒炇宜氐燃夹g(shù)生成畸形波等方面，而對畸形波與海洋結(jié)構(gòu)物之間相互作用的研究較少?；尾ㄗ鳛橐环N具有突出波高、波峰波谷強(qiáng)、非對稱性等特性的極端惡劣海況，將給船舶與海洋結(jié)構(gòu)物帶來巨大危害。因而，在海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計階段并不能忽視。

1 畸形波的定義和成因

1.1 畸形波的定義

對于畸形波，現(xiàn)在并沒有統(tǒng)一的定義，最簡單的定義是從波高的角度出發(fā)，即：最大波高大于有義波高的2倍：

圖1 “新年波”波浪時歷

式中：Hmax為最大波高；Hs為有義波高

在Rayleigh分布的假設(shè)前提下，每3 000個波浪中會發(fā)生一個畸形波，波浪平均周期為10s，每8h產(chǎn)生一個畸形波，當(dāng)考慮到畸形波強(qiáng)非線性特性時，需要引入其他參數(shù)來定義畸形波，表1為畸形波的定義匯總［5］。

表1 畸形波定義

1.2 畸形波危害及多發(fā)海域

畸形波具有突出的波高、波峰波谷非對稱以及發(fā)生的不可預(yù)見性等特征，對海洋結(jié)構(gòu)物和船具有巨大的危害。已有的資料證明畸形波發(fā)生在世界各大海域，圖2為2006～2010年世界范圍內(nèi)有記錄的畸形波發(fā)生事件分布［6］。在一些海域畸形波發(fā)生概率相比于其他海域更加頻繁，比較著名的海域是南非東南海域，該海域有明顯的海流（Agulhas Current）。

圖2 2006～2010畸形波事件的海域分布

1.3 畸形波生成機(jī)理

畸形波的生成機(jī)理大致可分為線性理論和非線性理論。其中，線性理論包括波的色散聚焦、流的作用、海底地形影響等；非線性理論中的調(diào)制不穩(wěn)定性（Modulational Instability）則被視作深海中畸形波最為可能的成因［7］。盡管有許多關(guān)于畸形波生成的物理解釋［8］，但目前為止還沒有一種理論能合理闡述實際海況下畸形波現(xiàn)象?；尾ㄉ蓹C(jī)理總結(jié)見表2。

表2 影響畸形波生成的因素

近年來有學(xué)者關(guān)注海底摩擦對畸形波生成的影響，文獻(xiàn)［15］介紹了海底摩擦對畸形波生成的抑制作用，認(rèn)為盡管和畸形波成因中的非線性因素相比，海底摩擦是小量，但是它的確能抑制非線性薛定諤方程孤立子解的形成（深海中畸形波的一種成因），并進(jìn)行了數(shù)值驗證。

總之，促使畸形波生成的因素并不唯一，風(fēng)、流、海底地形、波浪的高階非線性相互影響等一種或幾種因素的共同作用導(dǎo)致了畸形波的形成。

2 模擬畸形波的方法

（1）“新波”（NewWave）理論

“新波”理論采用許多成分波定點匯聚形成一突出的波，本質(zhì)上是一種特殊形態(tài)的脈沖波。在“新波”理論中，波面形狀可以表示為最大波峰幅值與能量譜相關(guān)函數(shù)的乘積形式：

加入空間變量，單向入射波可表示為：

式中：ηR是最大波峰幅值；σ是波浪記錄的標(biāo)準(zhǔn)差；S（ω）為譜密度；x0為最大波峰發(fā)生位置；t0為最大波峰發(fā)生時刻；kn和ωn分別為第n個正弦分量的波數(shù)值和圓頻率，并且滿足色散關(guān)系。

（2）約束式“新波”（Constrained NewWave）理論

“新波”理論只能模擬波浪記錄中一小部分，在聚焦位置前后，波面近乎平靜，與真實環(huán)境下畸形波發(fā)生時的波浪序列不同，因而需要改進(jìn)“新波”理論。約束式“新波”理論在不改變隨機(jī)波浪統(tǒng)計特性的前提下，將“新波”嵌入隨機(jī)波浪，可以得到近似實際海洋環(huán)境下畸形波波浪序列。式（4）表示最大波峰幅值在t＝t1時刻出現(xiàn)：

式中：m2為波浪譜的二階矩表示最大波峰處的斜率；ηI（t）為背景隨機(jī)波浪，由式

求得。小心選取最大波峰ηR的值是保證“新波”不改變隨機(jī)波浪統(tǒng)計特性的必要條件。

（3）優(yōu)化波（Optimised sea）理論

一個隨機(jī)海況可以由式（5）通過許多成分波線性疊加得到。通過優(yōu)化手段，能夠得到目標(biāo)波浪。優(yōu)化過程由以下三部分組成：（1）定義目標(biāo)波浪；（2）初始波浪序列由式計算得到，其中初始相位隨機(jī)選?。唬?）優(yōu)化調(diào)整隨機(jī)相位以得到隨機(jī)波浪背景下的目標(biāo)畸形波。

3 畸形波對海洋結(jié)構(gòu)物作用的研究進(jìn)展

隨著全球氣候變暖，海洋環(huán)境愈發(fā)惡劣，船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的安全問題日漸突出，在海洋與近海工程領(lǐng)域，安全經(jīng)濟(jì)的海洋結(jié)構(gòu)物是工程人員的設(shè)計目標(biāo)，這就要考慮到波浪對海洋結(jié)構(gòu)物及船舶的影響，從而合理地預(yù)報載荷與響應(yīng)。

波浪和海洋結(jié)構(gòu)物的相互作用大體上有以下三種研究思路：

（1）物理模型試驗。該方法的優(yōu)勢是能夠真實的模擬水動力學(xué)問題，并能測量一些關(guān)鍵參數(shù)、拍攝錄像等；劣勢是無法避免尺度效應(yīng)的限制。

（2）勢流理論。假定流體無粘、無旋、不可壓縮的理想流體，則存在勢函數(shù)滿足拉普拉斯方程，通過求解勢函數(shù)，進(jìn)而求解速度。知道速度后，由伯努利方程可知壓力，知道壓力分布后，沿表面積分可得波浪對結(jié)構(gòu)物的作用力。

（3）基于粘性理論的計算流體力學(xué)方法（Computational Fluid Dynamics）。由于計算機(jī)技術(shù)的飛速進(jìn)步，計算能力呈指數(shù)倍增長。該方法能計算波浪破碎、甲板上浪等強(qiáng)非線性以及粘性作用不可忽略的問題。CFD方法的優(yōu)勢是對所有的海洋工程領(lǐng)域的流體問題都適用，并且不受尺度效應(yīng)的限制。但是CFD方法非常耗時，而且價格不菲，CFD計算得到的結(jié)果需要有實驗數(shù)據(jù)對比才能為工程界接受。

由于畸形波波高突出、波峰波谷具有強(qiáng)非對稱性，因而勢流理論的應(yīng)用受到了極大限制?，F(xiàn)有的研究大致集中在物理模型試驗和CFD兩方面，這兩種方法主要是基于聚焦波浪理論［15］，在物理水池或數(shù)值波浪水池中將多個簡單波浪通過調(diào)制，在特定地點得到聚焦，得到一突出波高，研究該位置處聚焦波浪與結(jié)構(gòu)物的相互作用。

Clauss［19］采用優(yōu)化波列的方法，能夠在水池中生成滿足預(yù)設(shè)參數(shù)并且包含畸形波的波列，并研究了迎浪狀態(tài)下畸形波和FPSO在不同相遇位置時，F(xiàn)PSO運(yùn)動響應(yīng)和垂向彎矩變化規(guī)律，得到在進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計時，要考慮畸形波的影響。

Schellin等人［20］采用CFD方法對典型三腿式自升式平臺在畸形波作用下甲板抨擊載荷進(jìn)行了研究（如圖3所示）。文中分別考慮了有風(fēng)和無風(fēng)條件下三組不同波高和波陡的畸形波從不同方向接近平臺時，對平臺整體所受載荷和局部構(gòu)件所受載荷進(jìn)行了分析，進(jìn)而得出平臺水平所受載荷引起的傾覆力矩會超出基于斯托克斯波理論得到的值。

圖3 畸形波作用下的自升式平臺

Bennett等人［21］進(jìn)行了畸形波對有航速的船體運(yùn)動影響的實驗研究，并作出數(shù)值預(yù)報。實驗結(jié)果表明，畸形波不一定是船舶所能遇到的最惡劣的海況，但是在畸形波作用下，船舶運(yùn)動的加速度超出了船級社規(guī)范值，因而在進(jìn)行設(shè)計階段需要考慮畸形波對船舶的影響。

Rudman等 人［22］采 用 Smoothed Particle Hydrodynamics（SPH）方法研究畸形波抨擊浪向角和預(yù)張力對張力腿平臺運(yùn)動的影響，并且預(yù)測每一條張力腿的最大張力。結(jié)果表明，浪向角的主要影響是決定了張力腿的峰值張力和“松弛”現(xiàn)象，45°浪向角時，迎浪張力腿上張力最大；浪向角的改變對垂蕩、縱蕩、縱搖運(yùn)動幅值影響不大，可以忽略不計。隨著預(yù)張力的增加，張力腿的“松弛”現(xiàn)象得到明顯遏制。

趙西增［23］采用CFD方法研究了二維浮體在畸形波作用下的復(fù)雜流體現(xiàn)象，包括二維浮體大幅度運(yùn)動引起的甲板上浪和波浪破碎等，并且進(jìn)行了實驗對比。對比結(jié)果顯示，CFD方法適用于評估畸形波誘導(dǎo)下浮體的運(yùn)動響應(yīng)。

4 結(jié)語

由于畸形波大多在未知和不可預(yù)測的情況下發(fā)生，可靠的測量、分析結(jié)果非常少，故對其發(fā)生機(jī)理目前還未有統(tǒng)一的認(rèn)識，對其發(fā)生的幾率及工程意義還不明確。因此還有許多方面需要繼續(xù)研究，如：

（1）分開考慮風(fēng)和流對畸形波生成的影響，建立合理的數(shù)學(xué)模型，在實驗室水池內(nèi)模擬畸形波的生成，以求揭示其生成機(jī)理。

（2）研究畸形波作用下浮式深海平臺響應(yīng)問題，以及畸形波對平臺的抨擊載荷、甲板上浪、氣隙等的影響。

（3）進(jìn)行海洋實測，建立海洋環(huán)境資料數(shù)據(jù)庫。

目前我國能源戰(zhàn)略、海洋權(quán)益問題日益突出，以“海洋石油981”為代表的多型重大海洋工程設(shè)備蓄勢待發(fā)。然而，高風(fēng)險是深海開發(fā)工程的固有特性，海上安全事故一旦發(fā)生，將損失慘重。因此揭示畸形波這一極端惡劣海況的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及其對深海平臺作用機(jī)理有重大的工程實際意義。

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