畸形波模擬及其對近岸構筑物作用綜述

林海華

（福建省海洋預報臺，福建福州 350003）

畸形波是一種災害性波浪，其波高極大，能量集中，具有很強的非線性，破壞力極強，對近岸和海上結構物構成嚴重的威脅。畸形波引起的陡峭自由面、碎波等自由面大變形問題和結構物的極限響應等強非線性流-固耦合作用問題是目前水動力學問題中的前沿和難點問題，雖然國內外研究人員在這方面做了一些工作，但很多更深層次的問題還沒有深入，理清畸形波的發生機理、畸形波的模擬、對近岸構筑物的作用等一系列問題，還有許多研究要做。進一步的深入研究，將對海洋動力學的發展和促進人類對波浪理論的認識和進步具有重要的理論意義，同時對近岸構筑物的安全設計、使用和防護也具有重要的工程意義。

1 畸形波定義

畸形波是突出于周圍其它波浪的短峰波，其波高很大，跟相鄰的波浪幾乎不相關，而且畸形波的大波峰并不與其同樣大的波谷相對應。畸形波波峰形狀較為怪異，為前凹后凸，前坡很陡且升高很快，出現和消失很突然，具有瞬態性，是一種強非線性、非常不對稱的波浪。因此國內外學者從波高的角度進行定義，認為波高大于有效波高2.0倍的單波可以稱為畸形波[1-2]。

2 畸形波發生機理

根據觀測資料，近年來很多海上工程事故和災難都跟畸形波有緊密的關系。例如，墨西哥灣海域，美國“拉馬波”汽輪在行駛中忽然被巨浪吞噬；南非東南海域，某巨型油輪被巨浪襲擊，折成兩半；德國附近海域，一艘超級油輪遭怪浪襲擊沉沒；中國東南海域，幾名學生在福建長樂市某海灘游玩時被巨浪卷走，還有人們熟知的好望角怪浪以及挪威北海大浪等[3]，這些工程事故和災難基本上都與畸形波有關。

由于畸形波發生的概率較低，可利用的數據和資料較少，因此，對畸形波發生機理的解釋各有不同。目前的研究結果表明，畸形波的生成原因主要分為以下兩方面：

2.1 外部環境變化的影響

1）反向流的存在引起的波能聚焦。當波浪經過有潮流變化或彎曲段區域時，在流的作用下，波浪能量就匯聚到焦散區域，出現所謂尖瘦的、巨大的、畸形的波[4]。

2）風運動到波浪的連續能量傳輸。畸形波的出現，很大部分由風波的作用引起，在強風作用下，暴風雨中的連續能量轉移到了波群中，促使波能瞬間增加，由此產生了畸形波。從畸形波發生事件和現場觀測資料來看，大都發生在極端天氣時。根據相關資料的分析，畸形波發生時，風波能幾乎占了整個波能量的70%。

2.2 內在演化

內在演化包括線性能量疊加、非線性波相互作用、斯托克斯演變，即波陡引發的波峰變化以及高階非線性、非線性聚焦和時空聚焦的影響。Mori[5]等人在進行研究時提出，畸形波發生時，譜中能量在瞬間集中，然后逐漸向高頻部分轉化。相比常規波浪，畸形波則是波能高度集中的結果。

3 畸形波的模擬

畸形波不僅歷時短，難以靠常規方法預測，而且觀測資料極其短缺。在資料緊缺情況下，國內外學者只能依靠物理、數值模型手段，在實驗室內模擬畸形波以實現對其發生過程進行研究的目的。

Kim[6]等人在二維波浪水槽中應用逆傳播的方法生成極端波浪，在靜止的水面上，先產生波動，然后由擾動點開始，逐漸地向兩端傳播，并記錄傳到水槽兩端的信號。Chaplin[7]在實驗室中利用相速度法制造出了單個的大波，并讓這些大波在一定的頻率范圍內，通過相頻率差，使其互相作用，讓波能量在水槽的一定位置集聚，最后形成單個大波。國內方面，柳淑學等人也在物理模擬中取得一定的成果，柳淑學[8]在實驗室模擬了二維和三維聚焦波，胡凱程[9]、江文山[10]等人提出了深水非線性波在傳播過程的波列調變。

上述研究的工作重心大都基于實驗方法或者勢流理論對波形的研究，但畸形波與非畸形波之間到底有什么區別，只是波形的區別？波浪場情況如何？破碎與非破碎情況下，畸形波的速度場、壓力場的特征以及與其他波浪形式的差別又是如何？演變過程中，波浪場的變化情況如何？以及與能量譜型、譜峰周期、波陡等因素之間的關系又是如何？波浪破碎及水氣摻混如何考慮？這些問題都是目前勢流理論等研究手段無法解決的問題，要想全面了解和認識畸形波，就要建立反映物理現象本質的數學模型，發展合適的求解方法，進而達到剖析畸形波內部特征的目的。

4 畸形波對近岸構筑物的作用研究

由于畸形波出現時，構筑物會遭受歷時很短的強非線性波浪荷載，發生像波浪抨擊、波浪破碎、近岸構筑物破壞、整體滑移等現象。目前，畸形波對近岸構筑物的作用研究基本上采用物理模型和數值模型兩種手段。

4.1 物理模型

中國水利水電科學研究院通過遼寧紅沿河核電廠二期工程波浪模型試驗，研究畸形波對近岸直墻式結構物的作用。在試驗中，通過對浪高測量系統和點壓力測量系統的同時采集，以讓浪高和點壓力數據保持同步，并在結果中，查看取水構筑物點壓力過程線中是否存在異常。實驗結果表明，取水構筑物點壓力過程線存在異常情況，證明取水構筑物前和附近海域有畸形波發生，其異常點壓力是由近岸畸形波傳播至取水構筑物并對構筑物沖擊造成的。通過壓力顯示值可以看出，畸形波造成的異常點壓力約為常規波浪最大點壓力值的2.3倍，因此，畸形波會比常規的波浪產生更大的波壓力，對近岸構筑物會造成極其嚴重的毀壞，應加強對近岸構筑物的防護，提高其強度和穩定性。在近岸構筑物設計中，應該考慮畸形波的作用，并適當提高構筑物承壓設計值。

4.2 數值模型

畸形波對近岸構筑物的作用研究通常也采用數值模型來進行，主要有計算流體力學、SPH方法、CIP方法等。近年來，計算流體力學（CFD）在處理自由面流動問題時出現了很多技術，基于黏性流體理論、求解N-S方程的數值方法等為自由表面流動研究注入了新的活力，這些模型可處理自由面的大變形、水氣的摻混等多相流問題，具有處理波浪與近岸構筑物相互作用的能力。Cao[11]等（2012）基于OpenFOAM模型再現了畸形波對近岸豎向圓柱的作用問題，分析了作用力的分布和圓柱周圍的自由面情況。澳大利亞聯邦科學與工業研究組織的Rudman課題組基于SPH方法開展了斜向畸形波與海洋結構物的模擬研究。粒子方法因其無網格的特性使其具有模擬強非線性自由面問題的優勢，但是其缺點也很明顯，計算速度慢。德國漢堡科技大學的Mocta課題組基于雷諾平均的N-S方法，建立了畸形波在平臺上的爬高和沖擊相關的波浪力等問題的兩相流模型，考慮波浪破碎和水氣的摻混等問題，而沒有考慮構筑物的響應問題。英國曼徹斯特都會大學的Mingham課題組基于求解N-S方法的兩相流模型，開展了浮子式波能發電裝置在畸形波作用下響應研究，重點研究了不同類型的浮子單自由度響應問題，但是沒有研究內部流場特征及多自由度問題。Zhao和Hu（2012）[12]基于自主研發的CIP模型開展了極端波浪條件下浮體兩自由度響應的模擬研究，初步驗證了CIP方法建立的波浪水槽對該類問題的適用性，而畸形波的作用荷載的特點，畸形波作用下的波浪力、構筑物的運動響應、結構物周圍的多相流耦合流場特征與其他波浪形式的差異等問題還沒有涉及。隨著計算機的發達和高階精度計算格式的出現，與畸形波作用荷載相關問題的研究將會有更大的發展空間。

5 結語

本綜述介紹了畸形波的模擬以及對近岸構筑物作用的研究現狀及其相關問題的分析。從畸形波定義出發，探討了畸形波的發生機理，以及畸形波的模擬及畸形波對近岸構筑物的作用等工程相關問題。總體來講，人們對畸形波的了解還很有限，只見其表象，而未知其深意。隨著海洋開發利用活動的日益頻繁，所涉及的近岸工程的防護和減災需求日益迫切，對畸形波的進一步認識和研究顯然成為了當今社會的一個重要課題。通過對畸形波模擬以及畸形波對近岸構筑物作用的進一步研究，不僅拓寬了波浪對建筑物作用研究的范疇，而且對近岸構筑物的安全設計、使用和防護起到了重要的作用，進一步推動了海洋防災減災事業的發展。

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