畸形波對海洋工程結構物砰擊作用的數值分析

徐化奎

（中海石油（中國）有限公司海南分公司，海口 570100）

海洋占據了地球上70%多的區域，因此其中蘊含著龐大的資源來為國家與行業發展提供能源。海洋工程的建立可以幫助我國更好地開發相關的海洋資源，但是在海洋工程結構物的建立中，畸形波對于海洋平臺工程的結構物會造成嚴重的影響，需要對其進行詳細地控制，以保證海洋工程的良好運行。

1 畸形波的生成機理

畸形波是海洋波浪運動中的一種波形，其自身的波峰較高，并且波高較大，很容易對海洋工程結構物造成嚴重的影響。在畸形波的產生過程中，因為其自身的產生幾率相對較小，因此在畸形波的產生過程中，其自身的生成機理也比較模糊。一般情況下，相關人員認為畸形波在實際的運行中主要分為2種，其中一種是線性模型，另一種是非線性模型，在對2種模型的探究與分析中，相關人員對于畸形波生成原理的看法逐漸形成[1]。主要可以分為外界因素與內部作用，外部因素就是海底的地形與海洋的洋流，在強風暴的作用下，畸形波也有可能在海洋中形成。一般情況下，外界條件形成的畸形波的波高都會更大，并且自身的砰擊作用也會更加強烈。在畸形波的生成中，其內部條件對于畸形波的生成主要依靠線性作用，其依靠的是波浪內部的線性疊加作用及調制的不穩定性，在這2種畸形波生成原理的內在原因影響下，畸形波會通過其不斷地疊加影響而生成。現今對于畸形波生成主要機理的研究仍然未形成統一的標準，并且在實際的畸形波生成過程中，其自身的生成機理較多，仍未形成有效的原因，因此畸形波的模型建立可以為畸形波的生成條件及產生的砰擊作用的數值進行分析提供有效的原型，進而加強對于畸形波的進一步研究。

2 畸形波對海洋工程結構物砰擊作用的數值分析

2.1 波浪水槽基礎理論

2.1.1 控制方程

畸形波對海洋工程結構物產生的砰擊作用進行探究，在數值波浪水槽理論的影響下，其自身的控制方程也需要與水體的流動情況和結構物的情況相吻合。在方程的建立與設置中，需要將u作為速度矢量，將t當作時間，v為運動粘性指數，f表示質量力，p為壓強。將相對應的變量設置好之后，需要根據相應的要素與數值來建立起控制方程。因為畸形波在實際的海洋工程結構物的砰擊作用產生中是動態的，因此控制方程的實際形態也是動態方程，在u為0的條件下，將u與時間t相比，加上速度矢量u的自身實際數值與其設定數值的積。其等同于質量力f減去壓強p與其標準設定值的相除結果，最后加上運動粘性系數v與設定系數u之間的積。兩端最終形成的方程就是最終畸形波對海洋工程結構物砰擊作用數值分析的控制方程[2]。

2.1.2 邊界條件與初始條件

波浪自身的邊界條件與初始條件在畸形波的計算中對于計算結果的影響較大，在波浪水槽理論的應用中，其實際畸形波的初始條件與邊界條件在實際的運用中需要建立起一個水槽的邊界來確認邊界條件。在邊界條件的確認過程中，其實際的邊界條件需要對水槽的底部、入口邊界及出口邊界進行確認。在水槽的邊界中，會將底部設置為邊界的壁面，在該部分中，波浪的水流速度接近于0，在水槽的設置中，其出進水口在實際的應用中都是正常運行中，并且因為水深的原因，部分邊界需要對其壓強的情況來進行考察。初始條件是針對海洋平面上設置的平面，在畸形波砰擊作用的影響下，海洋工程結構物必然會出現變動。想要精準地測量波浪在形成畸形波時的實際初始條件，需要對水槽內部空間里貼近波浪表面的部分設置為水流速度0，而該片區域在水槽中就是靜水區，當波浪開始運動的時候，進出水口自身對于波浪的傳輸與運送是十分快速的，想要保證實際畸形波的檢測額，需要對波浪運動過程中進出水口的壓力及流速變化進行分析與檢測。靜水面的設置也能為波浪運動提供較好的波浪傳輸條件，繼而對之后的畸形波對海洋工程結構物產生的砰擊作用進行分析[3]。

2.1.3 自由表面處理

在畸形波砰擊作用的數值分析中，因為畸形波自身的多變性及強烈的沖擊性，需要加強對于畸形波在實際應用中的操作作用。在上文中對波浪水槽理論進行分析的過程中，可以發現現今的水量處理及畸形波的生成需要確認相應的信息之后才能開始計算。靜水面是畸形波砰擊作用中的一個重要因素，確認了靜水面的位置，將其流水的速度設置為0，就可以在之后的畸形波砰擊作用的分析過程中對其進行良好的控制。有了靜水面，就代表波浪中含有自由表面，這部分表面的水流流向以及水流的速度并不固定，因此才被叫做自由表面。在自由表面上，相關專家可以通過自由表面的情況借助計算方法對其進行計算與分析，在實際自由液面的計算過程中，一般會使用VOF計算方法，這種方法的計算結果相對準確，并且計算的步驟相對較簡潔，使用范圍比較廣泛。在使用中，其會將水槽內部的波浪劃分為多個網格及單元格，在不同的單元格內會充滿一部分水，VOF計算方法就是對充滿了單元格內部的氣體及水的填充程度來進行計算。在VOF計算方法中，其會將單元格內填充的水與氣體之間的數值以f代替，當單元格內部充滿氣體的時候，其數值為0。如果在單元格內充滿了水，其實際的數值就是1，但是在畸形波的自由表面處理中，其水槽限定區域內部的單元格充滿的既不是純水也不是純氣體，其包含著的是水氣結合體，因此在計算中可以設定VOF計算方法的區間為0～1，繼而可以對自由表面中的畸形波形成情況進行分析與探究[4]。

2.1.4 湍流模型

在海浪的運動過程中，其在大部分時間內都處于流動的狀態，而在流動過程中，根據波浪運動的劇烈程度不同，其體現出來的狀態也不同。在海浪自身的運動狀態比較劇烈的時候，其可以被稱為湍流。而湍流因為自身的流速相對較大，并且在流動過程中具有較強的沖擊力，因此在實際的湍流計算過程中，其能夠符合畸形波的生成條件。湍流模型也可以為畸形波自身產生的砰擊作用提供比較精準的計算數值與計算條件。在湍流模型的建立中，其自身的建立可以被分為許多不同類型的模型，主要分為3種。第一種模型是標準的湍流k-ε模型，其需要將k作為湍流動能，將ε作為湍流動能方程中的方程表達符號。將流體密度與動能G相互結合，并且在實際的湍流動能計算中將湍流動能的計算分為因過度擴散引起的動能、因速度梯度引起的動能和因浮力引起的動能。這3種動能因素就是湍流動能方程中的變量。

2.1.5 造波與消波方法

畸形波的生成及其砰擊作用的具體數值需要造波與消波共同作用，在波浪水槽中，可以借助水槽中壁面的作用對其中的波浪進行造波與消波處理。在處理過程中，可以將水槽中的區域分為3種，分別是造波區域、作用區域及消波區域。在造波區域中，其實際的造波過程中需要在壁面邊界上產生反射波，通過波浪在壁面上不斷地產生反射波，可以實現線性疊加，將相應的波浪疊加起來形成畸形波。畸形波會在水槽內部實現自身的位移及對其他水域的影響。在邊界條件中對水槽的邊界條件進行設置，因此在實際的波浪水槽運行中，其會通過邊界的消除方法將相應的畸形波消除，實現消波的過程。這種操作能夠在波浪的造波與消波過程中實現對畸形波自身砰擊作用的詳細探測，加強畸形波砰擊作用對海洋工程結構物造成的影響分析。

2.2 畸形波數值模擬

畸形波自身的模型建立中，需要將ε作為實際的波陡數值，將t作為聚焦時間、以x作為聚焦位置，之后針對初始的波幅進行規定。在建立過程中，能夠得到的相應方程表達式為，在得出相應的方程表達式之后，可以將其帶入到數值模擬的過程中去。

2.3 畸形波對三維平板的砰擊作用數值分析

2.3.1 聚焦點

在經過畸形波的數值模擬分析之后，可以對其自身產生砰擊作用的情況進行分析。最先需要分析的就是聚焦點位置對畸形波砰擊作用產生的影響，在畸形波產生的過程中，其自身的聚焦點位置代表著畸形波在運動過程中對海洋工程結構物表面產生力的作用的點。因此在畸形波的運動中，其自身的聚焦點位置不同，其在實際的運動中產生的砰擊作用的效果就不同。在固定的波浪與氣隙條件下，畸形波的聚焦點位置對于海洋工程結構物造成的砰擊作用是不同的。在測試中，對于船舶的不同位置進行了聚焦點位置砰擊作用測試，在船舶頭部位置時候，畸形波造成的砰擊作用壓強峰值約在1.55 kPa左右，而隨著畸形波在運動過程中不斷地對著測試的結構物產生一定的沖擊，受到砰擊作用的位置的壓強峰值也產生了一定的變化，但是最高并未超過2.43 kPa，最低不小于1.2 kPa。因此在畸形波的砰擊作用數值分析中可以得知，聚焦點位置能夠對相應的砰擊作用產生一定影響，但是影響程度較小。

2.3.2 相對氣隙

相對氣隙是畸形波砰擊作用中畸形波與結構物平面之間的位置距離，在相對氣隙的變動中，畸形波的動能及砰擊作用時間會發生比較明顯的變化。在相對氣隙抨擊作用的測試中，其實際的相對氣隙數值變大的時候，其自身砰擊時間減少，而且在畸形波砰擊過程中，其自身的壓強逐漸降低。與此同時，可以通過測試中相對氣隙的變化發現，畸形波自身的實際砰擊作用中，其砰擊作用力的峰值與最大濕面積會隨著相對氣隙的提升而出現降低的情況，但是其砰擊作用的發生時間正在逐漸縮短。因此經過上述的測試之后可以得知，在相對氣隙減小的時候，畸形波對海洋工程結構物的沖擊作用提升，而且砰擊作用的發生時間也在降低，同時還會發現在海洋工程結構物中，其自身的平面濕面積也隨之提升[5]。

2.3.3 相對板長

相對板長是海洋工程結構物在受到畸形波的砰擊作用時的板長距離，在受到畸形波的砰擊作用的過程中，隨著相對板長的逐漸增加，會發現畸形波在砰擊作用中造成的沖擊力會逐漸提升，在板長數值較大的時候，畸形波自身的波長會受到相對板長的數值影響，畸形波會在結構物的平板上產生較大的沖擊力，造成整體結構物的平板底部出現較大的荷載。在相對板長增加的時候，平板的最大壓強也在逐漸增長，因為在畸形波的砰擊作用中，相對板長為畸形波在砰擊過程中的形成提供了較大的濕面積，這種濕面積的提升對于畸形波在結構物平板上造成的壓強來說有著巨大的提升作用。因此在相對板長的數值提升過程中，其會造成濕面積及平板壓強的增大，進而導致海洋工程結構物自身在畸形波的砰擊作用下逐漸出現砰擊作用增大的情況。

2.3.4 迎浪角

迎浪角對于海洋工程結構物受到的畸形波砰擊作用有著一定的影響。在迎浪角為0°的時候，結構物自身在畸形波的影響下受到的沖擊力約為2.098 kN，而且隨著迎浪角的度數逐漸增大，會發現整體的結構物在畸形波砰擊作用中受到的沖擊力逐漸增大。但是其自身受到砰擊作用的時間也在逐漸增長，這種情況下，因為砰擊作用的時間增長，畸形波能夠在運動中產生更加強力的動能，進而造成海洋工程結構物受到的沖擊力逐漸增大。而在迎浪角的角度提升過程中，其自身的壓強開始從2.2 kPa降低到2.07 kPa，其變化規律與沖擊力的變化規律呈現出相反的情況。在實際的畸形波的砰擊作用中，海洋工程結構物自身承受的水體壓強在實際的運行中會因為迎浪角的增大而降低，而其自身受到的砰擊作用的沖擊力會隨著迎浪角的增大而增大。

2.4 畸形波對垂直板的砰擊作用數值分析

在進行畸形波對垂直板砰擊作用的數值分析時，參考了大量的國內外文獻，其中結合實驗室和數值水池的運用進行了分析，在畸形波的機理及模型研究方面不太成熟，如果采用商業勢流或者CFD求解對其進行分析，則無法考慮到畸形波強非線性及在實驗期間的浪砰擊效應。因此，基于畸形波在浪砰擊期間具備在短時間之內改變局部結構，從而影響流暢狀態及壓力的特點。在數值的分析過程中必須要兼顧流固耦合效應，利用N-S方程二位數值波浪水槽，結合速度入口及守恒消波模式的模擬，在SIMPLE算法基礎之上，求出畸形波對垂直板的砰擊作用和對其的結構影響。由于剛性平臺自身的砰擊荷載一般情況下會經過非線性畸形波的作用，在其荷載砰擊中，因為剛性平臺自身具備較大的面積，因此在砰擊作用中，畸形波產生的力能夠幫助剛性平臺將相應的力度分散開[6]。因此需要在確定完數值波浪水槽的連續式、動量及體系分數運輸方程公式以后，則對畸形波進行了模擬，在實驗的過程中利用北海進行了實測波形的確定，通過表達式的計算及對畸形波液面時歷曲線圖、數值模型波浪譜與目標譜的對比以后，采用流固耦合算法進行進一步的求解，最終可以得出以下分析結論：第一，在上浪砰擊的過程中，垂直板振動頻譜出現了雙峰值的現象；第二，基于瞬間的砰擊載荷，也使得結構動力響應之中有了高階模態；第三，局部的砰擊壓力、結構剛性及彈性均受到水彈性效應的作用，并且當砰擊的壓力越小，則結構的剛度也就越低。

2.5 畸形波對船舶砰擊作用模擬分析

研究畸形波對船舶產生砰擊作用的主要原因在于，船舶屬于典型的海洋工程結構物，因此加大對其的研究，能夠更好地分析極端波浪對于船舶在航行及停靠過程中所產生的影響，并能夠實現對船舶性能的改造。在研究時，要先建立數值模型，選定一個研究對象，并對船型資料進行分析，本文在研究時則選取了載重量76000 t的游船作為參考研究對象，將其船體型線數據導入三維建模軟件之中，將各點面連接成為一個整體，最終生成幾何模型。在分析過程中，由于主要研究的方向為船舶在迎浪的狀態之下所產生的砰擊載荷與運動響應，因此只在船頭的迎浪部分設定了壓強監測點，共設置了3個。然后利用三維數值水池進行六面體網格的設置，并對背景及重疊區域的邊界條件進行了設定。通過五階Stokes波對船舶的砰擊作用及運動響應進行了研究，最終利用歷曲線圖的分析，得出了畸形波對于船舶砰擊的影響為無論是固定船舶還是浮式船舶，畸形波的載荷值及里程時間均大于五階Stokes波，因此可以得出畸形波的影響要更高一些，在設計船舶的過程中要將畸形波等極端類的波浪影響因素納入考量范圍之中，從而提高船舶等海洋工程結構物應對風險的能力。

3 結束語

畸形波是海洋工程結構物中比較常見的一種波長，其會對海洋工程結構物造成砰擊作用，在實際的畸形波砰擊作用形成的過程中，其自身的砰擊作用計算能夠有效地為相關人員提供有力的數據來支撐畸形波砰擊作用在海洋工程結構物中的作用。其能夠幫助海洋工程結構物自身實現對于砰擊作用抵抗能力的改善。今后仍需要對畸形波砰擊作用進行研究，進而保證其砰擊作用不會海洋工程結構物造成嚴重影響。