“海上隐形衣”及其对波漂移力低减效果的研究

The floating structures are wildly used in ocean engineering for the utilization of ocean space and exploration of ocean resources. It is of great importance to have a wonderful safety and economy performances for the ocean floating structures. The present study intends to develop and establish a new protection device to protect the ocean floating structures, which can be named cloaking protection device (CPD). Under this protection device, the wave drift forces and moments on the floating structures will be reduced to almost zero at a specific wavenumber, called the cloaking wavenumber. Consequently, the cost of ocean structures will be reduced and its safety will be guaranteed. Based on the wave interaction theory, a numerical model for analyzing the hydrodynamic forces acted on multiple floating bodies will be established with hydrodynamic interactions among multiple bodies taken into account. To achieve numerical accuracy, a higher-order boundary element method (HOBEM) will be adopted to solve it. A multi-parameter optimization model base on the genetic algorithm (GA) will also be established. By combining the above mentioned hydrodynamic integrations analyzing model and optimization model, a cloaking analysis method will be proposed. Finally, laboratory and numerical experiments will be carried out to study the influence of cloaking wavenumber on each parameter. To applying this protection device to different sea areas with different wave conductions, a way of controlling the cloaking wavenumber will be proposed by changing the parameters of outer surrounding columns.

在海洋资源和空间利用上，浮式海洋工程结构物被广泛利用。做好海洋工程结构物的安全防护和降低其生产作业成本具有重要意义。本项目拟研究与开发一种海上建筑物的新型防护技法——“海上隐形衣”。为隐形衣内的海洋工程结构物提供一个低波漂荷载的良好海洋工程环境；从根本上实现对海上建筑物的防护和制造成本的低减。本研究将基于波浪相互干涉理论和高阶边界元方法建立精确的多浮体之间的相互干涉效应和群遮效应的分析模型，建立基于遗传算法的多参数优化模型，建立各参数对隐形效果的影响机制的分析方法。通过展开数值模型研究和物理模型试验研究，明确不同参数对隐形效果和有效隐形波频段的影响规律；给出对隐形波频段进行控制的方案，实现“海上隐形衣”在不同海域和不同海况的适用性。

浮式海洋工程结构物广泛用于海洋资源和空间的利用上。做好海洋工程结构物的安全防护和降低其生产作业成本具有重要意义。本项目研究了一种海上建筑物的新型防护技术方法——“海上隐形衣”。基于波浪相互干涉理论和高阶边界元方法建立精确的多浮体之间的相互干涉效应和群遮效应的分析模型，建立基于遗传算法的多参数优化模型，建立各参数对隐形效果的影响机制的分析方法；通过展开数值模型研究和物理模型试验研究，明确不同参数对隐形效果和有效隐形波频段的影响规律；给出对隐形波频段进行控制的方案，实现“海上隐形衣”在不同海域和不同海况的适用性。经研究确认了：波浪相互干涉引起的群遮效应对结构物具有非常好的防护作用；可以形成Cloaking隐形防护作用从而使海工结构物的波漂移力降低为零，该研究填补了国内在该领域的空白。基于多参数优化分析模型，对浮体群外围个体的数量、尺寸和防护区域大小进行了优化分析，首次发现了周期性变化的“准Cloaking”的新现象。“准Cloaking”现象表明：防护装备与被防护主建筑物的距离不同时，也可以实现类Cloaking现象、而且是周期性变化的；而传统方法是通过改变防护装备的尺寸和大小来实现Cloaking防护，一旦防护装备生产制造完成后，通过改变装备尺寸这一方式很难在实际工程中应用；该“准Cloaking”的新发现，为Cloaking防护技术在工程中的实际应用提供了可行的理论支持。