穿透水面海洋圆柱群与波浪、水流相互作用的解析和实验研究

Group of circular cylinders made up of n seperated large diameter vertical surface-piercing circular cylinders are typical offshore structures, which always operate in the circumustances with simultaneous presence of waves and currents.The hydrodynamic interactions among wave, current and group of cylinders deserve to investigate intensively. In view of the regularity of configuration of circular cylinder and the advantage of analytical method in exploring rules, the combination of analytical and experimental methods are adopted to investigate the subject in this project. This study includes mainly: 1)The interactions among wave, current and group of cylinders extending throughout the depth of water /group of fixed and floating truncated cylinders; 2)The effects of parameters of wave, current and cylinders group on the motion of cylinder, wave force, wave drift damping and runup on the surface of cylinder; 3)The physical model experiment of group of cylinders in wave tank and the varification and construction of mathematical models to represent physical phenomena of energy accumulation and dispersion therein. Based on the preceding research, the analytical method is expected to be proposed for the hydrodynamic interactions among group of circular cylinders, current and waves (including incidence, diffraction and radiation waves). The mechanism of accumulation and transfer of energy among different response modes of cylinders and flow field is explored. The variation rules are expected to be uderstood more thoroughly. The investigation in this project will enrich the contents of offshore structure-fluid interaction theory, and may provide theoretical support for improvement of engineering design and evaluation.

由n个穿透水面且分离的大直径直立圆柱组成的圆柱群是一种典型海洋工程结构，这类圆柱群经常工作于波浪和水流共存的环境中，对这种圆柱群与波浪、水流三者的相互作用亟待深入研究。鉴于圆柱群形状的规则性和解析方法在探索规律方面的优越性，本项目拟主要以解析法和模型实验相结合研究该问题。主要研究：1）固定及可振荡运动直通水底和截头圆柱群与波浪、水流相互作用的分析方法和新现象探索；2）不同波浪、水流条件和圆柱群参数对圆柱群运动、波浪力、波漂阻尼、柱面上波面升高等关键力学量的影响规律；3）海工水池实验以及能阐释柱群和流场中能量聚散现象的数理模型的建立和验证。通过上述理论和实验研究，提出直通水底圆柱群及截头圆柱群与水流、入射、绕射和辐射波相互作用的解析方法，获得参数影响规律，认识能量在柱群和流场各响应模态中聚集和传递的机理。本研究可丰富海洋结构与流场相互作用的理论内涵，可为改进工程评估和设计提供理论支持。

从海洋中获取油气、水合物、金属非金属等资源，利用海洋能，拓展人类海洋活动空间等过程中，涉及到钻采平台、海洋浮式发电阵列、海上浮式机场等大型海上结构物的分析、设计与建造。这些海工结构物的水面浮体多为单圆柱体或圆柱群结构，它们通常处于波浪和海流共同存在的环境中，研究它们的水动力问题不仅有学术意义，还有实际应用价值。为此，本项目开展圆柱群与波流水动力相互作用的研究。.本项目针对穿透水面海洋圆柱群与波浪、水流相互作用问题，开展了理论分析、数值计算和实验研究，主要包括了以下几部分研究内容：单个截头浮式圆柱与波浪、水流相互作用研究；固定和可振荡运动的直通水底圆柱群与波浪、水流相互作用研究；固定和可振荡运动的截头圆柱群与波浪、水流相互作用研究；物理模型的实验研究；圆柱群水动力相互作用中能量传播和聚集的机理研究。.上述研究工作取得的主要结果和认识包括：针对单个截头浮式圆柱、直通水底固定圆柱群、可振荡运动直通水底圆柱群、截头固定圆柱群、可振荡运动截头水底圆柱群等典型的海洋圆柱群结构，发展了基于特征函数展开的研究上述圆柱群结构与入射波、绕射波、辐射波、水流相互作用的解析分析方法，编制计算程序，计算了波浪力、波漂阻尼、圆柱面上压力分布、圆柱运动等力学量，并分析变化规律。对圆柱群中每个圆柱所受波浪力变化规律进行研究，发现在波浪力随无量纲波数变化曲线的非捕获区中（能量传播区域），波浪力幅值的波动间距不随无量纲波数变化，该间距只与圆柱群总数、圆柱在圆柱群中的位置、波浪入射角有关；给出了有关预报公式；揭示了其中所蕴含的物理机制，该机制与捕获区（能量聚集区域）的高耸尖峰的机理完全不同。对底开口截头圆柱辐射运动开展物理模型试验，研究了阻尼孔的形状和数量对阻尼特性的影响。.本项目获得的分析方法、理论公式、发现的现象和规律可丰富海洋工程水动力学的理论内涵，可为海洋浮式结构物的工程设计提供理论支撑。