徐化奎

（中海石油（中國(guó)）有限公司海南分公司，海口 570100）

海洋占據(jù)了地球上70%多的區(qū)域，因此其中蘊(yùn)含著龐大的資源來(lái)為國(guó)家與行業(yè)發(fā)展提供能源。海洋工程的建立可以幫助我國(guó)更好地開(kāi)發(fā)相關(guān)的海洋資源，但是在海洋工程結(jié)構(gòu)物的建立中，畸形波對(duì)于海洋平臺(tái)工程的結(jié)構(gòu)物會(huì)造成嚴(yán)重的影響，需要對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)地控制，以保證海洋工程的良好運(yùn)行。

1 畸形波的生成機(jī)理

畸形波是海洋波浪運(yùn)動(dòng)中的一種波形，其自身的波峰較高，并且波高較大，很容易對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)物造成嚴(yán)重的影響。在畸形波的產(chǎn)生過(guò)程中，因?yàn)槠渥陨淼漠a(chǎn)生幾率相對(duì)較小，因此在畸形波的產(chǎn)生過(guò)程中，其自身的生成機(jī)理也比較模糊。一般情況下，相關(guān)人員認(rèn)為畸形波在實(shí)際的運(yùn)行中主要分為2種，其中一種是線性模型，另一種是非線性模型，在對(duì)2種模型的探究與分析中，相關(guān)人員對(duì)于畸形波生成原理的看法逐漸形成[1]。主要可以分為外界因素與內(nèi)部作用，外部因素就是海底的地形與海洋的洋流，在強(qiáng)風(fēng)暴的作用下，畸形波也有可能在海洋中形成。一般情況下，外界條件形成的畸形波的波高都會(huì)更大，并且自身的砰擊作用也會(huì)更加強(qiáng)烈。在畸形波的生成中，其內(nèi)部條件對(duì)于畸形波的生成主要依靠線性作用，其依靠的是波浪內(nèi)部的線性疊加作用及調(diào)制的不穩(wěn)定性，在這2種畸形波生成原理的內(nèi)在原因影響下，畸形波會(huì)通過(guò)其不斷地疊加影響而生成?，F(xiàn)今對(duì)于畸形波生成主要機(jī)理的研究仍然未形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，并且在實(shí)際的畸形波生成過(guò)程中，其自身的生成機(jī)理較多，仍未形成有效的原因，因此畸形波的模型建立可以為畸形波的生成條件及產(chǎn)生的砰擊作用的數(shù)值進(jìn)行分析提供有效的原型，進(jìn)而加強(qiáng)對(duì)于畸形波的進(jìn)一步研究。

2 畸形波對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)物砰擊作用的數(shù)值分析

2.1 波浪水槽基礎(chǔ)理論

2.1.1 控制方程

畸形波對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的砰擊作用進(jìn)行探究，在數(shù)值波浪水槽理論的影響下，其自身的控制方程也需要與水體的流動(dòng)情況和結(jié)構(gòu)物的情況相吻合。在方程的建立與設(shè)置中，需要將u作為速度矢量，將t當(dāng)作時(shí)間，v為運(yùn)動(dòng)粘性指數(shù)，f表示質(zhì)量力，p為壓強(qiáng)。將相對(duì)應(yīng)的變量設(shè)置好之后，需要根據(jù)相應(yīng)的要素與數(shù)值來(lái)建立起控制方程。因?yàn)榛尾ㄔ趯?shí)際的海洋工程結(jié)構(gòu)物的砰擊作用產(chǎn)生中是動(dòng)態(tài)的，因此控制方程的實(shí)際形態(tài)也是動(dòng)態(tài)方程，在u為0的條件下，將u與時(shí)間t相比，加上速度矢量u的自身實(shí)際數(shù)值與其設(shè)定數(shù)值的積。其等同于質(zhì)量力f減去壓強(qiáng)p與其標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值的相除結(jié)果，最后加上運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)v與設(shè)定系數(shù)u之間的積。兩端最終形成的方程就是最終畸形波對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)物砰擊作用數(shù)值分析的控制方程[2]。

2.1.2 邊界條件與初始條件

波浪自身的邊界條件與初始條件在畸形波的計(jì)算中對(duì)于計(jì)算結(jié)果的影響較大，在波浪水槽理論的應(yīng)用中，其實(shí)際畸形波的初始條件與邊界條件在實(shí)際的運(yùn)用中需要建立起一個(gè)水槽的邊界來(lái)確認(rèn)邊界條件。在邊界條件的確認(rèn)過(guò)程中，其實(shí)際的邊界條件需要對(duì)水槽的底部、入口邊界及出口邊界進(jìn)行確認(rèn)。在水槽的邊界中，會(huì)將底部設(shè)置為邊界的壁面，在該部分中，波浪的水流速度接近于0，在水槽的設(shè)置中，其出進(jìn)水口在實(shí)際的應(yīng)用中都是正常運(yùn)行中，并且因?yàn)樗畹脑颍糠诌吔缧枰獙?duì)其壓強(qiáng)的情況來(lái)進(jìn)行考察。初始條件是針對(duì)海洋平面上設(shè)置的平面，在畸形波砰擊作用的影響下，海洋工程結(jié)構(gòu)物必然會(huì)出現(xiàn)變動(dòng)。想要精準(zhǔn)地測(cè)量波浪在形成畸形波時(shí)的實(shí)際初始條件，需要對(duì)水槽內(nèi)部空間里貼近波浪表面的部分設(shè)置為水流速度0，而該片區(qū)域在水槽中就是靜水區(qū)，當(dāng)波浪開(kāi)始運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，進(jìn)出水口自身對(duì)于波浪的傳輸與運(yùn)送是十分快速的，想要保證實(shí)際畸形波的檢測(cè)額，需要對(duì)波浪運(yùn)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)出水口的壓力及流速變化進(jìn)行分析與檢測(cè)。靜水面的設(shè)置也能為波浪運(yùn)動(dòng)提供較好的波浪傳輸條件，繼而對(duì)之后的畸形波對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生的砰擊作用進(jìn)行分析[3]。

2.1.3 自由表面處理

在畸形波砰擊作用的數(shù)值分析中，因?yàn)榛尾ㄗ陨淼亩嘧冃约皬?qiáng)烈的沖擊性，需要加強(qiáng)對(duì)于畸形波在實(shí)際應(yīng)用中的操作作用。在上文中對(duì)波浪水槽理論進(jìn)行分析的過(guò)程中，可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)今的水量處理及畸形波的生成需要確認(rèn)相應(yīng)的信息之后才能開(kāi)始計(jì)算。靜水面是畸形波砰擊作用中的一個(gè)重要因素，確認(rèn)了靜水面的位置，將其流水的速度設(shè)置為0，就可以在之后的畸形波砰擊作用的分析過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行良好的控制。有了靜水面，就代表波浪中含有自由表面，這部分表面的水流流向以及水流的速度并不固定，因此才被叫做自由表面。在自由表面上，相關(guān)專家可以通過(guò)自由表面的情況借助計(jì)算方法對(duì)其進(jìn)行計(jì)算與分析，在實(shí)際自由液面的計(jì)算過(guò)程中，一般會(huì)使用VOF計(jì)算方法，這種方法的計(jì)算結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，并且計(jì)算的步驟相對(duì)較簡(jiǎn)潔，使用范圍比較廣泛。在使用中，其會(huì)將水槽內(nèi)部的波浪劃分為多個(gè)網(wǎng)格及單元格，在不同的單元格內(nèi)會(huì)充滿一部分水，VOF計(jì)算方法就是對(duì)充滿了單元格內(nèi)部的氣體及水的填充程度來(lái)進(jìn)行計(jì)算。在VOF計(jì)算方法中，其會(huì)將單元格內(nèi)填充的水與氣體之間的數(shù)值以f代替，當(dāng)單元格內(nèi)部充滿氣體的時(shí)候，其數(shù)值為0。如果在單元格內(nèi)充滿了水，其實(shí)際的數(shù)值就是1，但是在畸形波的自由表面處理中，其水槽限定區(qū)域內(nèi)部的單元格充滿的既不是純水也不是純氣體，其包含著的是水氣結(jié)合體，因此在計(jì)算中可以設(shè)定VOF計(jì)算方法的區(qū)間為0～1，繼而可以對(duì)自由表面中的畸形波形成情況進(jìn)行分析與探究[4]。

2.1.4 湍流模型

在海浪的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，其在大部分時(shí)間內(nèi)都處于流動(dòng)的狀態(tài)，而在流動(dòng)過(guò)程中，根據(jù)波浪運(yùn)動(dòng)的劇烈程度不同，其體現(xiàn)出來(lái)的狀態(tài)也不同。在海浪自身的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)比較劇烈的時(shí)候，其可以被稱為湍流。而湍流因?yàn)樽陨淼牧魉傧鄬?duì)較大，并且在流動(dòng)過(guò)程中具有較強(qiáng)的沖擊力，因此在實(shí)際的湍流計(jì)算過(guò)程中，其能夠符合畸形波的生成條件。湍流模型也可以為畸形波自身產(chǎn)生的砰擊作用提供比較精準(zhǔn)的計(jì)算數(shù)值與計(jì)算條件。在湍流模型的建立中，其自身的建立可以被分為許多不同類型的模型，主要分為3種。第一種模型是標(biāo)準(zhǔn)的湍流k-ε模型，其需要將k作為湍流動(dòng)能，將ε作為湍流動(dòng)能方程中的方程表達(dá)符號(hào)。將流體密度與動(dòng)能G相互結(jié)合，并且在實(shí)際的湍流動(dòng)能計(jì)算中將湍流動(dòng)能的計(jì)算分為因過(guò)度擴(kuò)散引起的動(dòng)能、因速度梯度引起的動(dòng)能和因浮力引起的動(dòng)能。這3種動(dòng)能因素就是湍流動(dòng)能方程中的變量。

2.1.5 造波與消波方法

畸形波的生成及其砰擊作用的具體數(shù)值需要造波與消波共同作用，在波浪水槽中，可以借助水槽中壁面的作用對(duì)其中的波浪進(jìn)行造波與消波處理。在處理過(guò)程中，可以將水槽中的區(qū)域分為3種，分別是造波區(qū)域、作用區(qū)域及消波區(qū)域。在造波區(qū)域中，其實(shí)際的造波過(guò)程中需要在壁面邊界上產(chǎn)生反射波，通過(guò)波浪在壁面上不斷地產(chǎn)生反射波，可以實(shí)現(xiàn)線性疊加，將相應(yīng)的波浪疊加起來(lái)形成畸形波?；尾〞?huì)在水槽內(nèi)部實(shí)現(xiàn)自身的位移及對(duì)其他水域的影響。在邊界條件中對(duì)水槽的邊界條件進(jìn)行設(shè)置，因此在實(shí)際的波浪水槽運(yùn)行中，其會(huì)通過(guò)邊界的消除方法將相應(yīng)的畸形波消除，實(shí)現(xiàn)消波的過(guò)程。這種操作能夠在波浪的造波與消波過(guò)程中實(shí)現(xiàn)對(duì)畸形波自身砰擊作用的詳細(xì)探測(cè)，加強(qiáng)畸形波砰擊作用對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)物造成的影響分析。

2.2 畸形波數(shù)值模擬

畸形波自身的模型建立中，需要將ε作為實(shí)際的波陡數(shù)值，將t作為聚焦時(shí)間、以x作為聚焦位置，之后針對(duì)初始的波幅進(jìn)行規(guī)定。在建立過(guò)程中，能夠得到的相應(yīng)方程表達(dá)式為，在得出相應(yīng)的方程表達(dá)式之后，可以將其帶入到數(shù)值模擬的過(guò)程中去。

2.3 畸形波對(duì)三維平板的砰擊作用數(shù)值分析

2.3.1 聚焦點(diǎn)

在經(jīng)過(guò)畸形波的數(shù)值模擬分析之后，可以對(duì)其自身產(chǎn)生砰擊作用的情況進(jìn)行分析。最先需要分析的就是聚焦點(diǎn)位置對(duì)畸形波砰擊作用產(chǎn)生的影響，在畸形波產(chǎn)生的過(guò)程中，其自身的聚焦點(diǎn)位置代表著畸形波在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)物表面產(chǎn)生力的作用的點(diǎn)。因此在畸形波的運(yùn)動(dòng)中，其自身的聚焦點(diǎn)位置不同，其在實(shí)際的運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生的砰擊作用的效果就不同。在固定的波浪與氣隙條件下，畸形波的聚焦點(diǎn)位置對(duì)于海洋工程結(jié)構(gòu)物造成的砰擊作用是不同的。在測(cè)試中，對(duì)于船舶的不同位置進(jìn)行了聚焦點(diǎn)位置砰擊作用測(cè)試，在船舶頭部位置時(shí)候，畸形波造成的砰擊作用壓強(qiáng)峰值約在1.55 kPa左右，而隨著畸形波在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不斷地對(duì)著測(cè)試的結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生一定的沖擊，受到砰擊作用的位置的壓強(qiáng)峰值也產(chǎn)生了一定的變化，但是最高并未超過(guò)2.43 kPa，最低不小于1.2 kPa。因此在畸形波的砰擊作用數(shù)值分析中可以得知，聚焦點(diǎn)位置能夠?qū)ο鄳?yīng)的砰擊作用產(chǎn)生一定影響，但是影響程度較小。

2.3.2 相對(duì)氣隙

相對(duì)氣隙是畸形波砰擊作用中畸形波與結(jié)構(gòu)物平面之間的位置距離，在相對(duì)氣隙的變動(dòng)中，畸形波的動(dòng)能及砰擊作用時(shí)間會(huì)發(fā)生比較明顯的變化。在相對(duì)氣隙抨擊作用的測(cè)試中，其實(shí)際的相對(duì)氣隙數(shù)值變大的時(shí)候，其自身砰擊時(shí)間減少，而且在畸形波砰擊過(guò)程中，其自身的壓強(qiáng)逐漸降低。與此同時(shí)，可以通過(guò)測(cè)試中相對(duì)氣隙的變化發(fā)現(xiàn)，畸形波自身的實(shí)際砰擊作用中，其砰擊作用力的峰值與最大濕面積會(huì)隨著相對(duì)氣隙的提升而出現(xiàn)降低的情況，但是其砰擊作用的發(fā)生時(shí)間正在逐漸縮短。因此經(jīng)過(guò)上述的測(cè)試之后可以得知，在相對(duì)氣隙減小的時(shí)候，畸形波對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)物的沖擊作用提升，而且砰擊作用的發(fā)生時(shí)間也在降低，同時(shí)還會(huì)發(fā)現(xiàn)在海洋工程結(jié)構(gòu)物中，其自身的平面濕面積也隨之提升[5]。

2.3.3 相對(duì)板長(zhǎng)

相對(duì)板長(zhǎng)是海洋工程結(jié)構(gòu)物在受到畸形波的砰擊作用時(shí)的板長(zhǎng)距離，在受到畸形波的砰擊作用的過(guò)程中，隨著相對(duì)板長(zhǎng)的逐漸增加，會(huì)發(fā)現(xiàn)畸形波在砰擊作用中造成的沖擊力會(huì)逐漸提升，在板長(zhǎng)數(shù)值較大的時(shí)候，畸形波自身的波長(zhǎng)會(huì)受到相對(duì)板長(zhǎng)的數(shù)值影響，畸形波會(huì)在結(jié)構(gòu)物的平板上產(chǎn)生較大的沖擊力，造成整體結(jié)構(gòu)物的平板底部出現(xiàn)較大的荷載。在相對(duì)板長(zhǎng)增加的時(shí)候，平板的最大壓強(qiáng)也在逐漸增長(zhǎng)，因?yàn)樵诨尾ǖ呐閾糇饔弥?，相?duì)板長(zhǎng)為畸形波在砰擊過(guò)程中的形成提供了較大的濕面積，這種濕面積的提升對(duì)于畸形波在結(jié)構(gòu)物平板上造成的壓強(qiáng)來(lái)說(shuō)有著巨大的提升作用。因此在相對(duì)板長(zhǎng)的數(shù)值提升過(guò)程中，其會(huì)造成濕面積及平板壓強(qiáng)的增大，進(jìn)而導(dǎo)致海洋工程結(jié)構(gòu)物自身在畸形波的砰擊作用下逐漸出現(xiàn)砰擊作用增大的情況。

2.3.4 迎浪角

迎浪角對(duì)于海洋工程結(jié)構(gòu)物受到的畸形波砰擊作用有著一定的影響。在迎浪角為0°的時(shí)候，結(jié)構(gòu)物自身在畸形波的影響下受到的沖擊力約為2.098 kN，而且隨著迎浪角的度數(shù)逐漸增大，會(huì)發(fā)現(xiàn)整體的結(jié)構(gòu)物在畸形波砰擊作用中受到的沖擊力逐漸增大。但是其自身受到砰擊作用的時(shí)間也在逐漸增長(zhǎng)，這種情況下，因?yàn)榕閾糇饔玫臅r(shí)間增長(zhǎng)，畸形波能夠在運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)生更加強(qiáng)力的動(dòng)能，進(jìn)而造成海洋工程結(jié)構(gòu)物受到的沖擊力逐漸增大。而在迎浪角的角度提升過(guò)程中，其自身的壓強(qiáng)開(kāi)始從2.2 kPa降低到2.07 kPa，其變化規(guī)律與沖擊力的變化規(guī)律呈現(xiàn)出相反的情況。在實(shí)際的畸形波的砰擊作用中，海洋工程結(jié)構(gòu)物自身承受的水體壓強(qiáng)在實(shí)際的運(yùn)行中會(huì)因?yàn)橛私堑脑龃蠖档?，而其自身受到的砰擊作用的沖擊力會(huì)隨著迎浪角的增大而增大。

2.4 畸形波對(duì)垂直板的砰擊作用數(shù)值分析

在進(jìn)行畸形波對(duì)垂直板砰擊作用的數(shù)值分析時(shí)，參考了大量的國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)，其中結(jié)合實(shí)驗(yàn)室和數(shù)值水池的運(yùn)用進(jìn)行了分析，在畸形波的機(jī)理及模型研究方面不太成熟，如果采用商業(yè)勢(shì)流或者CFD求解對(duì)其進(jìn)行分析，則無(wú)法考慮到畸形波強(qiáng)非線性及在實(shí)驗(yàn)期間的浪砰擊效應(yīng)。因此，基于畸形波在浪砰擊期間具備在短時(shí)間之內(nèi)改變局部結(jié)構(gòu)，從而影響流暢狀態(tài)及壓力的特點(diǎn)。在數(shù)值的分析過(guò)程中必須要兼顧流固耦合效應(yīng)，利用N-S方程二位數(shù)值波浪水槽，結(jié)合速度入口及守恒消波模式的模擬，在SIMPLE算法基礎(chǔ)之上，求出畸形波對(duì)垂直板的砰擊作用和對(duì)其的結(jié)構(gòu)影響。由于剛性平臺(tái)自身的砰擊荷載一般情況下會(huì)經(jīng)過(guò)非線性畸形波的作用，在其荷載砰擊中，因?yàn)閯傂云脚_(tái)自身具備較大的面積，因此在砰擊作用中，畸形波產(chǎn)生的力能夠幫助剛性平臺(tái)將相應(yīng)的力度分散開(kāi)[6]。因此需要在確定完數(shù)值波浪水槽的連續(xù)式、動(dòng)量及體系分?jǐn)?shù)運(yùn)輸方程公式以后，則對(duì)畸形波進(jìn)行了模擬，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中利用北海進(jìn)行了實(shí)測(cè)波形的確定，通過(guò)表達(dá)式的計(jì)算及對(duì)畸形波液面時(shí)歷曲線圖、數(shù)值模型波浪譜與目標(biāo)譜的對(duì)比以后，采用流固耦合算法進(jìn)行進(jìn)一步的求解，最終可以得出以下分析結(jié)論：第一，在上浪砰擊的過(guò)程中，垂直板振動(dòng)頻譜出現(xiàn)了雙峰值的現(xiàn)象；第二，基于瞬間的砰擊載荷，也使得結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)之中有了高階模態(tài)；第三，局部的砰擊壓力、結(jié)構(gòu)剛性及彈性均受到水彈性效應(yīng)的作用，并且當(dāng)砰擊的壓力越小，則結(jié)構(gòu)的剛度也就越低。

2.5 畸形波對(duì)船舶砰擊作用模擬分析

研究畸形波對(duì)船舶產(chǎn)生砰擊作用的主要原因在于，船舶屬于典型的海洋工程結(jié)構(gòu)物，因此加大對(duì)其的研究，能夠更好地分析極端波浪對(duì)于船舶在航行及?？窟^(guò)程中所產(chǎn)生的影響，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)船舶性能的改造。在研究時(shí)，要先建立數(shù)值模型，選定一個(gè)研究對(duì)象，并對(duì)船型資料進(jìn)行分析，本文在研究時(shí)則選取了載重量76000 t的游船作為參考研究對(duì)象，將其船體型線數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維建模軟件之中，將各點(diǎn)面連接成為一個(gè)整體，最終生成幾何模型。在分析過(guò)程中，由于主要研究的方向?yàn)榇霸谟说臓顟B(tài)之下所產(chǎn)生的砰擊載荷與運(yùn)動(dòng)響應(yīng)，因此只在船頭的迎浪部分設(shè)定了壓強(qiáng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共設(shè)置了3個(gè)。然后利用三維數(shù)值水池進(jìn)行六面體網(wǎng)格的設(shè)置，并對(duì)背景及重疊區(qū)域的邊界條件進(jìn)行了設(shè)定。通過(guò)五階Stokes波對(duì)船舶的砰擊作用及運(yùn)動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行了研究，最終利用歷曲線圖的分析，得出了畸形波對(duì)于船舶砰擊的影響為無(wú)論是固定船舶還是浮式船舶，畸形波的載荷值及里程時(shí)間均大于五階Stokes波，因此可以得出畸形波的影響要更高一些，在設(shè)計(jì)船舶的過(guò)程中要將畸形波等極端類的波浪影響因素納入考量范圍之中，從而提高船舶等海洋工程結(jié)構(gòu)物應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的能力。

3 結(jié)束語(yǔ)

畸形波是海洋工程結(jié)構(gòu)物中比較常見(jiàn)的一種波長(zhǎng)，其會(huì)對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)物造成砰擊作用，在實(shí)際的畸形波砰擊作用形成的過(guò)程中，其自身的砰擊作用計(jì)算能夠有效地為相關(guān)人員提供有力的數(shù)據(jù)來(lái)支撐畸形波砰擊作用在海洋工程結(jié)構(gòu)物中的作用。其能夠幫助海洋工程結(jié)構(gòu)物自身實(shí)現(xiàn)對(duì)于砰擊作用抵抗能力的改善。今后仍需要對(duì)畸形波砰擊作用進(jìn)行研究，進(jìn)而保證其砰擊作用不會(huì)海洋工程結(jié)構(gòu)物造成嚴(yán)重影響。