畸形波及艦船遭遇畸形波的研究綜述*

李　東　張本輝　石愛國　薛亞東　張新宇　西文韜

(海軍大連艦艇學院　大連　116018)

LI Dong　ZHANG Benhui　SHI Aiguo　XUE Yadong　ZHANG Xinyu　XI Wentao

(Dalian Naval Academy, Dalian　116018)

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畸形波及艦船遭遇畸形波的研究綜述*

李東張本輝石愛國薛亞東張新宇西文韜

(海軍大連艦艇學院大連116018)

畸形波對船舶航運和海洋工程結構物等極具威脅, 已成為當前物理海洋學界和船舶水動力學界的一個研究熱點問題。論文介紹了畸形波的定義及觀測現狀，探索了畸形波的生成機理，對現有的實驗室模擬方法進行分析比對，對國外科研團隊研究艦船遭遇畸形波的相關情形進行了簡要闡述，提出了艦船遭遇畸形波的研究思路。

畸形波; 生成機理; 實驗室模擬

LI DongZHANG BenhuiSHI AiguoXUE YadongZHANG XinyuXI Wentao

(Dalian Naval Academy, Dalian116018)

Class NumberP731

1　引言

畸形波(freak wave)是海洋中高且陡的大波，其持續時間很短,但出現的偶然性和巨大的破壞性，對船舶航運和海洋工程結構物等極具威脅，已引發多起海上事故[1]，嚴重地影響了人類海洋活動的安全[2]。因此畸形波越來越引起人們的關注，它的發生機理及工程應用問題已成為當前物理海洋學界和船舶水動力學界的一個研究熱點問題[3]。關于畸形波的研究最早可追溯20上世紀60年代，1965年，Draper提出了畸形波的概念[4]，越來越多的學者和工程人員開始認同并關注這一現象。由于畸形波大多在未知和不可預測情況下出現，可靠的測量數據以及分析結果非常少，其發生機理還不明確，相關研究基本上處于起步階段，還有許多理論和實際問題需要進行深入研究[5]。下面就畸形波的定義及觀測現狀、生成機理、實驗室模擬、艦船遭遇畸形波的相關研究進行綜述。

2　畸形波的定義及觀測現狀

2.1畸形波的定義

畸形波通常有如下特征[6]：有陡且尖的波峰和平坦的波谷，波峰的前坡很陡且升高很快，波峰形狀為前凹后凸，是一種強非線性、非常不對稱的波浪，出現和消失很突然，如圖 1所示。

圖1　畸形波時歷

隨著畸形波研究的深入和觀測數據的充實，研究者發現了各種具有不同外觀特征的畸形大波，其涵蓋范圍不斷擴大，分析手段不盡相同，采用的判定標準并不完全確定，關于定義更是眾說紛紜，目前尚沒有令所有研究者一致信服的精確定義。盡可能地量化是深入研究事物的重要方向，對于畸形波也不例外，然而人們對畸形波的生成機理尚不明確，沒有實現從現象到本質上的跨越。

畸形波是一種相對于背景海況下出現的大波，在定義畸形波時需考慮凸兀的最大波高及其與前后相鄰波浪的關系。相比較而言，由Klinting&Sand[7]給出的畸形波定義較為全面，即畸形波的最大波高Hj應該滿足以下條件：α1=Hmax/Hs≥2，α2=Hmax/H_≥2，α3=Hmax/H+≥2，α4=ηc/Hmax≥0.65；其中Hj-1和Hj+1是畸形波前后相鄰波浪的波高，ηj是最大波高對應的波峰高度，Hs為有義波高，在此將α1、α2、α3、α4統稱為畸形波特征參數。Klinting&Sand的定義不僅考慮了波高本身、還考慮了與相鄰波高的關系及平均水面以上的波峰高度；這個定義條件相對比較苛刻，但是仍為大多數學者所接受。Hmax、H_、H+、ηc定義如圖2所示。

圖2　畸形波特征波高示意圖

2.2畸形波的觀測現狀

畸形波的記錄和外海觀測是其研究分析的前提，一方面來源于海上工作人員的見聞和船舶事故；另一方面來源于長期設立的觀測臺站、石油平臺、錨定浮標的觀測數據和合成孔徑雷達的遙感數據[8]。畸形波大多在未知情況下出現，導致了實際觀測記錄和可靠的測量較少，使人們誤以為畸形波的發生概率很低。按照線性理論，對于滿足高斯分布的波面且波高在30m左右的波浪為萬年一遇，實際的觀測數據顯示畸形波發生的概率卻遠大于此[9]。

1995年1月1日，人們在北海第一次用科學儀器完善地記錄了新年波(New Year Wave),這是目前為止記錄最早的畸形波[10]。歐盟資助的Max Wave研究項目在2001年3周內分析了精度10m的全球衛星數據，發現了十幾個畸形波，它們的波高均大于25m，并對歷史數據進行了統計分析，得出“平均每周會有兩艘大型船舶沉沒”的結論。由法國海洋開發研究院(IFREMER)和它的合作者們組織的Rouge Waves Workshop研討會，自2000年起每四年召開一次，交流各國所取得的研究進展。2004年英國廣播公司(BBC)推出的地平線科普紀錄片《奪命怪浪——freak waves》，提高了人類對于畸形波的認識。

相關資料和研究成果顯示，畸形波廣泛地存在于世界各大海域，可以在有流、無流、天氣好壞、深水或者淺水等多種條件下沒有任何預兆地出現[11]。梳理畸形波的記錄資料可以發現，畸形波發生概率比較高的區域分別是大西洋、印度洋、北海、日本海以及中國臺灣的周邊海域，這五個區域都是海上交通頻繁的地區，相對而言，海洋觀測體系比較完善；毋庸置疑，其它海域也可能有畸形波發生，只是由于畸形波的不可預見性和監測體系的不健全，還沒有相關的記錄。另外，受觀測條件和觀測技術的限制，對畸形波的記錄僅局限于單點情況下，無法反映畸形波的演化發展的整個過程，由于其尺度特征和環境條件差別很大，很難進行綜合分析，這對于畸形波的深層次研究是不利的。

3　畸形波生成機理的研究探索

畸形波的生成機理是眾多研究者積極探索的一個方向。迄今為止，研究者根據畸形波發生的環境條件以及內部、外部特征提出了多種生成機理假說，Chine[12]在前人研究的基礎上，將生成機理假說分為外在環境與內在演化兩類。

3.1外在環境

1) 海流作用

據統計，南非東南沿海、琉球西南海域和百慕大海域是因畸形波引發海難較多的海域，而這三處海域都有較強的洋流經過，因此推理海流與畸形波的形成存在某種相關性[13～14]。該機制能夠解釋一些海域的畸形波現象，并不適用于沒有明顯海流的開放區域。

2) 水深、地形作用

當波浪經過復雜的海底地形時，海底對波浪的反射、折射甚至變淺作用會改變波浪的傳播方向和形態，使波浪發生彎曲，翻到和破碎等現象[15～18]。當波浪由深水傳播至淺水域時會在某些特殊的區域可能導致波浪能量的匯聚[19]。

3) 風等外部能量對海水的作用

當畸形波出現在海面附近時，經常會伴隨著強風天氣，然而，有一種觀點認為風場強迫對于畸形波生成的影響較弱，更多的影響表現在畸形波發生之前，這說明風等外力對畸形波生成中能量聚集的影響有限[20]。

3.2內在演化

1) 時空聚焦

時空聚焦主要是指由于色散關系和頻率調制共同作用產生的波浪聚焦。初始時刻，具有小的波群速度的短波位于較大波群速度的長波前方，隨著波浪的傳播，長波由于波速較快，會趕上短波，在某一特定的時刻所有波浪在同一位置匯聚而產生畸形波。

2) 線性疊加

隨機海浪可以看成無數個不同頻率、不同振幅、不同傳播方向的單色波疊加而成。在某一特定的時間、特定的時空位置，大量的組成子波能匯聚，就可能出現畸形波。

3) 波波非線性相互作用

Mori和Yasuda[21]認為在深水寬帶譜的隨機波浪中，波浪的高階非線性作用有可能會導致四波共振現象的出現，能夠使波浪的能量在不同模態間發生轉移，會產生單一的、波峰尖瘦的畸形波。

4) 調制不穩定性

波浪理論中的調制不穩定性是指：在滿足一定的微小擾動作用條件下，小的邊波振幅呈指數增長，大波幅的載波振幅逐漸減小，可能會在非線性演化的過程中出現畸形波[22～23]。從波浪各個子波的相互作用來看，Benjamin-Feir不穩定性是波浪的準四波共振作用引起的，與四波共振最大的不同的是，準四波共振相互作用的四波(兩個頻率相同的載波和兩個邊帶波)頻率極為相近，且需要滿足窄譜條件。在窄譜情況下，準四波相互作用在波波能量傳遞過程中具有重要作用。準四波共振相互作用的時間尺度很小，使得Benjamin-Feir不穩定性誘導的畸形波具有短暫的生命周期[24]。由于畸形波體現出波浪傳播的不穩定性和能量聚集的突發性，在各種生成機制中，Kharif[25]認為畸形波產生的真正原因應該是波浪的邊帶調制不穩定性，可能是導致形成極值大波最重要的物理機制，最希望被用于大洋和開闊海域畸形波生成條件的預報模型。

綜上所述，沒有上述外部環境影響的海域也有畸形波的發生，說明外在因素也許不是畸形波發生的必要條件，而內部因素有可能起主導作用，在深海情況下更是如此。實際的海浪是復雜多變的，受多種因素的影響，目前對畸形波生成機理的認識還遠遠不夠，還有待于進一步的研究。隨著觀測資料的豐富，畸形波相關的研究將會有實質性的進展。

4　畸形波的實驗模擬研究

對波浪的運動及其機理的探索主要有三種途徑：現場觀測、理論分析、實驗室模擬。對于畸形波而言，現場觀測耗資巨大、觀測周期較長、在惡劣海況下觀測資料難以確切獲得；理論分析對于研究畸形波與船舶、海上結構物的相互作用顯得單薄；相比較而言，實驗室模擬具有經濟方便等優點，無疑成為研究畸形波生成機理、分析其統計特性的一個重要手段。畸形波的實驗模擬可以從非線性自聚焦、線性聚焦以及基于粘性流的數值模擬三方面進行論述。

4.1非線性自聚焦方法

非線性自聚焦方法對畸形波的數值模擬主要通過波動方程來實現，對于深水畸形波的數值模擬，可供選擇的非線性演化方程各有優缺點。從理論上講，采用復雜的完全非線性方程來直接模擬畸形波更為合理，可以更真實地反映水波演化情況，但是需要考慮較大的時空區域，耗費大量的計算機時和容量，并沒有帶來新的物理見解。Zakharov方程是通過完全非線性水波方程得到的最為復雜的時空演化近似模型，遠不如非線性薛定諤方程應用方便[26]。DS方程系統描述了有限水深條件下弱非線性波列的演化，但是該系統與水深相關的參數相對比較復雜[27]。相對而言，三階非線性薛定諤方程(NLS)能夠反映水波的B-F不穩定性，給出B-F不穩定性的實質，是深水畸形波研究的核心方程[28～30]。然而，NLS方程僅適合于描述具有較小波陡(小于0.1)的波列演化，無法準確地模擬長時間的波列演化[31]。四階非線性薛定諤方程(mNLS)不再要求嚴格窄譜條件，方程的波陡適用范圍擴大到0.15

4.2線性聚焦方法

線性聚焦方法將風浪看作是由大量具有不同頻率和傳播方向的小振幅單色波疊加而成，所有的單色波的相位是隨機均勻分布的，采用某種手段使不同子波能量在在預定時空位置聚焦從而生成畸形波。

黃國興[34]采用人工干預組成子波的隨機初相位分布的方法，可以保證在一次造波過程中至少出現一個特征明顯的畸形波，缺點是不能確定畸形波的生成時間和位置。kriebel[35]將組成波的頻譜能量分為背景譜和奇異譜兩部分,實現了畸形波的定時定點生成。裴玉國[36]提出了三波列組合模型，提高了畸形波的數值模擬效率，以較少的瞬態能量完成畸形波的數值模擬，并對波浪時歷的統計特性影響較小。劉贊強[37]提出了改進的相位調制法模擬畸形波的數值模型，能更精確更高效地再現實測畸形波序列，可應用于實驗研究，且需要的子波個數較少，具有較好的借鑒意義。

4.3基于粘性流理論的數值模擬

近年來，利用計算流體力學(computational fluid dynamics,CFD)方法對畸形波進行模擬時，主要采用兩種不同的數值波浪水池生成理論，基于有限元法的勢流理論和基于流體體積法(VOF)求解雷諾平均方程(RANSE)的粘性流理論。基于勢流理論的優點是計算速度快且對非破碎波浪的傳播模擬精度較高，然而一旦發生波浪破碎現象，計算就會失敗而不得不中止，因此，不能對艦船或者海上結構物與畸形波的相互作用進行數值模擬。基于粘性流理論，則能夠有效彌補以上不足，缺點是計算耗時較大[38]。實際海域中，畸形波的波高極大，具有很強的非線性特征，對艦船遭遇畸形波進行數值模擬的復雜過程中，流體的粘性因素更是不可或缺，因此，進行畸形波的相關研究時應使用粘性流模型。不同于傳統的水池實驗，數值波浪水池經濟性高，可以較好地反映流場的細節，還可以避免模型實驗中傳感器和其他一些儀器對流場的干擾。由于計算機技術的飛速進步，計算能力呈指數倍增長, CFD無疑是更接近真實的數值模擬方法。

目前實際海上艦船遭遇畸形波的相關數據非常少且不易獲取，且由于海況惡劣，對監測設備等影響較大，獲取的數據誤差較大，而CFD方法在船舶水動力學研究取得了豐富成果[39]，基于粘性流理論，便于生成復雜的波浪環境，易于改變船型及控制船舶運動，并可進行無觸點流場測量，能有效彌補海上試驗、水池試驗及勢流理論的不足。

5　艦船遭遇畸形波研究現狀

越來越多的學者和工程技術人員開始逐漸關注畸形波，圍繞畸形波開展的研究工作逐漸經歷著從理論到實踐逐步開展的三個階段：第一個階段重心在探討畸形波發生機制；第二階段主要基于畸形波動力及運動特性的認知，開展畸形波及其與結構物的實驗研究；第三階段旨在探討特定海域畸形波的發生概率及預警預測技術。第三個階段與實際結合更為緊密更具應用價值，只是現在還無法具體實現[40]，目前關于畸形波的研究多集中于前兩個階段。對于畸形波的數值模擬、演化規律及其對近岸結構物響應的研究，國內外學者做了大量的工作。畸形波是艦艇海上航行的重大安全隱患和重要威脅，然而對于艦船遭遇畸形波的研究還相對較少，尚處于起步階段。

國外的研究艦船遭遇畸形波的團隊主要有兩個，分別由德國工業大學的G F Clauss教授和英國南安普頓大學的S S Bennett教授領銜，國內則偏重于理論的研究[41]，并無實際的水池試驗或者CFD數值模擬艦船遭遇畸形波相關的論文發表。

Glauss[42]等主要研究畸形波對FPSO沖擊所造成的垂直彎矩的影響，結果表明利用頻域標準來評估艦船遭遇畸形波時的最大垂直彎矩是完全足夠的，通過時域分析可以進一步研究某些特殊效應比如局部沖擊響應、甲板上浪等現象。另外，在不同的航速下，研究了散裝貨船、集裝箱船、滾裝船等船型在頂浪態勢下遭遇畸形波時的載荷響應值的變化，發現滾裝船在遭遇畸形波時極限載荷值最大，考慮到大幅度的搖蕩運動和上浪現象對沖擊響應的影響，實際上散裝貨船和集裝箱船遭遇畸形波的態勢更加嚴峻[43]。

Bennett[44]等分析對比了幾種畸形波生成技術的優缺點，尋找一種可以有效模擬艦船定時定點遭遇畸形波的方法。其它試驗條件不變，用畸形波的最大波高作為Hs來設計耐波性試驗，將其數值模擬的結果與艦船遭遇畸形波情況進行比對,結果表明，畸形波不一定是船舶所能遇到的最惡劣的海況，前者的威脅更大；但是在畸形波作用下，船舶垂蕩加速度超出了船級社規范值，因而在船舶設計階段，需要考慮畸形波對船舶的影響[45]。

對艦船遭遇畸形波的現象進行建模研究是非常重要且非常有必要的，目的是評估艦船所遇到的風險情況以及是否需要對現有的船舶設計規則進行修正，使其更加完善，對于船舶的設計、研究具有重大的現實意義。

6　結語

準確地把握深水條件下畸形波的生成、非線性演化規律和數值模擬技術是研究艦船遭遇畸形波的前提和基礎，其相對優化的研究途徑，可以從水動力學方程以及隨機海浪兩方面進行，如何將兩者巧妙地結合在一起也是水動力學界的一個難點問題。

數值模擬成為研究畸形波生成演化機理的一種重要手段，采用CFD數值波浪水池再現畸形波具有無可替代的優勢。在試驗水池或者CFD數值波浪水池中實現畸形波的定時定點生成，對于研究畸形波與船舶、海上結構物的相互作用過程具有十分重要的意義。

X-波段測波雷達，是在航艦艇掌握當前海區環境信息提供了一個良好的手段，可以從時空上預報出畸形波提供可能，進而得出艦艇與畸形波的相對態勢，艦艇是否有可能或者以何種航向航速遭遇畸形波，對艦艇所承受的風險進行評估和預報，以此來分析艦艇是否需要對畸形波進行有效地規避，或者由于條件約束，艦艇來不及規避或者無法規避畸形波時，以何種航向航速遭遇可以將畸形波對艦艇安全危害降到最低，造成的損失降到最小。

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Overview on the Study of Freak Waves and Ships Encountering with Freak Waves*

Freak waves pose a great threat to shipping and ocean engineering structures, which have become a hotspot problem in physical oceanography and marine hydrodynamics field at present. This paper introduces the definition of freak waves and the current observation, and explores the formation mechanism of freak waves. It carries on the analysis and comparison of the existing laboratory simulation methods, makes a brief exposition of the relevant situation of the study of ships encountering with freak waves carried by foreign research teams and finally puts forward the thought of the research of ships encountering with freak waves.

freak waves, formation mechanism, laboratory simulation

2016年2月7日,

2016年3月23日

十二五預研項目(編號：51314030101)；大連市科技基金(編號：2012J21DW027)；海軍大連艦艇學院科研發展基金項目資助。

李東,男,碩士,研究方向：非線性海浪及艦船耐波性。

P731

10.3969/j.issn.1672-9730.2016.08.006