分裂内孤立子波列特征及其对海洋结构物水动力作用研究

Internal solitary waves usually transforms into internal soliton trains when propagating through the continental shelf/slope. The induced alternate flow field will probably cause fatigue failure and directly affect the operation of marine equipments. However, such phenomenon is rarely taken into account in the previous design of marine structures. This proposal is focusing on the characteristic of internal soliton trains, and their hydrodynamic action on marine structures. Beginning with the study of the fluctuating law of soliton trains and the characteristic of induced flow fields, the hydrodynamic mechanism of soliton trains on marine structures will be discussed. To be specific, in consideration of various influential factors (including benthic topography, frictional, and dissipation effects, et al.), we will build a mathematical model to describe the evolution of wave trains combined with the observational data from actual sea areas. Furthermore, the influences of internal soliton trains on marine structures will be quantitatively estimated. At proposed research we aim to develop the computational model and numerical approach of hydrodynamic responses under the action of soliton trains for marine structures, and will deeply investigate the hydrodynamic mechanism on marine structures in order to provide the relevant scientific basis and theoretical guidance for deep-water oil/gas developments.

内孤立波传播至陆架/陆坡海域时，往往可分裂演化为内孤立子波列，其所诱导形成的准周期交变流场可能使得海洋结构物产生疲劳破坏，并直接影响海洋设备的运营作业。然而，以往海洋工程设计中极少考虑这类海洋现象的影响。本项目拟针对分裂内孤立子波列与海洋结构物作用这一关键问题，以研究分裂孤立子波列波动规律及诱导流场特征作为切入点，探讨分裂孤立子波列对海洋结构物水动力作用机制。具体而言，在考虑海底地形、海底摩擦、耗散等要素条件下，结合真实海域观测资料，通过建立描述孤立子波列演化规律的计算模型，进而深入分析内孤立子波列分裂演化过程及其诱导流场、波动频率等特征，并以此为前提定量评估分裂孤立子波列对海洋结构物的影响。本项研究旨在发展分裂孤立子波列作用下海洋结构物水动力响应的计算模型及数值方法，探索内孤立子波列这类特殊环境载荷对海洋结构物的水动力作用机制，以便为海洋油气资源开发活动提供相关的科学依据和理论指导。

依据项目任务书，本项目采用理论分析、数值模拟，并结合现场观测数据分析，对内孤立波的分裂演化规律以及单柱式平台在内孤立子波列作用下的动力响应开展了研究。.首先，本项目利用弱非线性KdV模型的拓展形式，综合考虑了变浅效应和海底摩擦效应对海洋内孤立子波列传播演化的影响。通过理论分析，发现模型中摩擦效应项的Chezy系数与内孤立子波列初始波幅成反比，并得到我国南海实际观测数据的良好验证，同时给出了中国南海Chezy摩擦系数的取值方法。.其次，以质量源作为内孤立子波列激发源，将其加入连续性方程，结合完全非线性欧拉方程，以陡变地形中内孤立波分裂规律为依据，发展了一种两层流体中内孤立子波列质量源数值造波方法。结果表明，基于所述方法所得的内孤立子波列在其传播过程中均保持波形稳定、振幅衰减小，数值模拟所得波形及其振幅相应理论解吻合较好。.最后，本项目采用计算流体方法，建立了内孤立子波列与单柱式平台强非线性作用的数值模拟方法，所得平台的内孤立子波列载荷与理论计算方法结果一致，表明其可以用于研究内孤立子波列与海洋浮式结构强非线性作用问题。.本研究发展的分裂孤立子波列作用下单柱式平台水动力响应的计算模型及数值方法，将有助于探索内孤立子波列这类特殊环境载荷对海洋结构物的水动力作用机制，从而为海洋油气资源开发活动提供相关的科学依据和理论指导。.