南海台风过程中内波特征及其对海洋结构的作用研究

The near-inertial internal waves induced by typhoon will be simulated using the three dimensional ocean model POM in this project. Internal solitary waves under conditions of typhoon will be simulated by GKdV, a model considering the background current, bottom friction and depth. The impact of near-inertial internal wave on internal solitary wave will be studied. Characteristics of internal waves under conditions of typhoon will be researched in a 2D-internal wave and stratified flow tank in Physical Oceanography Laboratory of Ocean University of China based on simulation results. Series experiments will be conducted to investigate effect of internal wave on offshore structure, and the drag force parameter and inertial force parameter in Morison formula will be analyzed with experiments. The internal wave stress characteristic of hypothetical offshore structure in the actual ocean environment will be simulated according to Morison formula. A numerical internal wave flume will be developed based on the software FLUENT, and the velocity and force fields of internal waves at the surface of offshore structure will be simulated utilizing this numerical flume. The project offers an insight into characteristics of internal waves and the impact on the offshore structure under conditions of typhoon. Thus the research results of this project have important academic significance and practical engineering applications.

本项目采用三维海洋模式POM，模拟台风激发的近惯性内波在海洋中的三维传播。以近惯性内波场为背景，并考虑底摩擦和缓慢地形变化对内孤立波的影响，采用GKdV模型对台风过程中的内孤立波进行数值模拟计算，分析台风激发的近惯性内波对内孤立波的影响。依据内波数值模拟结果，利用中国海洋大学二维分层流及内波水槽，进行台风过程中的内波实验室研究。针对台风过程中海洋结构的内波受力特性开展系列实验，并对Morison 公式中的拖曳力系数和惯性力系数进行统计分析。在此基础上，对实际海洋中的假想结构受力特性进行数值模拟研究；并以 FLUENT软件为平台，建立内波数值水槽，分析台风过程中海洋结构表面压力分布和载荷特征。通过本项目的研究，能够深入了解南海台风过程中的内波特征及其对海洋结构的作用，为南海海洋工程设计提供新的借鉴；不但具有重要的学术意义，而且具有一定的工程实际应用价值。

在过去的几十年中，国际海洋工程界对海洋结构物在风、浪、流等环境中的水动力特性问题，虽然已经有了较为深入的认识，但有关内波对海洋结构的影响机理等，迄今的认识仍然很有限。而众多事实表明，内波已经成为制约海洋油气勘探开采和潜艇航行安全的重要因素，我国南海海域的海洋工程结构物的设计和安装必须考虑内波的危害。本项目针对我国南海特殊的海洋环境，建立了南海台风模型，分析了海洋对台风的响应，以及台风过程中近惯性内波特征。开展了内孤立波理论模型及作用力模型的推导工作，并结合内波数值理论，进行了内波二维水槽造波方法研究，分析了内孤立波行进演变特征。完成了内波实验室研究，结合理论分析、数值模拟和实验数据，研究了内波与固定结构物，以及内波与潜体这两种海洋结构物的相互作用规律。海洋结构物在内孤立波作用下受到的波浪力主要有内孤立波波致流速造成的速度力以及分层水体跃层处因流向不同而产生的剪切力。固定式结构物在内孤立波作用下其受力特征与内孤立波的振幅、结构物的长度、特征尺寸都有较大的关系，但其变化趋势比较复杂，不是简单的线性关系。内孤立波对于潜体的运动有着较大的影响，当潜体遭遇内孤立波时，潜体有较大幅度的垂荡过程，同时伴有明显的纵荡。不仅如此，潜体的形状、潜深、内孤立波的振幅都会影响潜体的运动形式。本项目研究成果不仅具有重要的学术意义，而且能为南海海洋工程设计，南海水下航行器研制等领域提供新的借鉴，具有一定的工程和科技应用前景。