內孤立波對海洋結構物與潛體作用機制綜述

林文澤，王 寅，2，傅依達

（1.南昌工程學院 水利與生態工程學院，南昌 330099； 2.江西省水利科學院 防災減災與水工程安全研究所，南昌 330029；3.江西省科學技術信息研究所，南昌 330046）

近年來，隨著陸地礦產資源被逐漸開采，大家開始把目光轉向海洋礦產資源， 不同種類的海洋工程和海底勘探器的數量和工作強度相比之前有了很大提升。而海洋中的開采環境不如陸地穩定， 如海洋內孤立波就可能導致海洋工程或者海底潛器疲勞甚至損壞，影響施工開采工作的安全進行。 海洋內波廣泛分布于各大洋和邊緣海域，是海洋中的普遍現象。海洋中通常可以形成幾百米至上百公里波長范圍的內波； 在密度躍層（ 密度分層面）處出現的大型內孤立波的振幅和流場流速可以達到百米量級且超過2 m/s，水下結構物將受到巨大的波浪力。 目前海洋工程建設前都需要針對建筑物對內孤立波的水動力響應做評估， 為減少內波對海洋工程及海下潛器造成過大的破壞， 以防影響結構物運行年限以及海下潛器的運動性能和動力性能，對社會安全和經濟帶來巨大威脅和損失， 有必要從內波孤立的研究方法及內孤立波的力學特性方面的研究進展開展總結、歸納。

1 內波研究方法相關進展

1.1 物理試驗

物理模型試驗是探索內孤立波條件下水下結構物和潛器水動力特性的重要手段。 內孤立波物模試驗最關鍵的環節就是造波， 造波方法包括雙推板造波法、重力塌陷造波法、搖板式造波法等。 重力塌縮造波法的核心理論是利用不同水層間存在的壓力差來導致內孤立波的產生。此方法操作簡單，且可以調控振幅和波長[1]，但該方法也存在缺點，如內孤立波的質量將受到擋板抽離快慢的影響[2]；搖板式造波法是將搖板安裝在造波區。 通過控制搖板按一定規律繞固定支點擺動，對水體進行擾動，從而誘發內波；雙推板造波可以控制所造內波振幅[3]并使其波形穩定， 但內孤立波的產生和傳播質量會受到推板速度快慢的影響。相較于重力塌陷法，雙推板造波法將導致躍層處嚴重的混合現象，嚴重影響造波質量[3]。 相比于搖板造波法，雙推板造波法更復雜，搖板式造波法推板力[4]更大。 兩者缺陷相似，水體躍層處的混亂現象影響了造波質量。

許多學者在物模試驗水槽中對半球體、 立方體薄板、圓柱體、方柱體等結構進行了系統的研究[5-6]，結果表明， 結構的水下動力特性受到流體的密度差和深度比的影響。因此，眾多學者選擇構建抽板式分層流體水槽[7]來進行內波實驗，改方法可對內波進行更細致的觀測和研究。抽板可以產生分層流體。將模型放在分層流體水槽中，利用重力塌陷法來制造波[8]是更常見的造波方法。 該方法的原理是利用起波裝置上旋轉百葉的關閉和重力方形勢阱擾動模型縱向軌跡上的往復運動，形成不同寬度的方形勢阱，然后瞬間打開閥門開關，使每個方形勢阱形成重力塌陷，演化為內孤立波。在實驗室內，當孤立波被激發后，可采用電導率探頭陣列將探測到的電導率輸出為相應電壓， 從而記錄躍層附近垂直密度分布和入射波幅值。 利用染色液顯示技術對不同密度的水體染色， 通過高速攝像機記錄內孤立波與海洋結構相互作用的可視化結果， 可以顯示海洋結構遇到內孤立波時周圍波浪力結構的變化和內波波形波速等信息。

物理試驗為諸多學者研究內波特性提供了巨大幫助，但是該方法也存在一些不足。

1）尺寸效應問題。 內波在自然界中于廣袤的大海中經歷長時間擾動和傳播形成， 海洋結構物要有足夠的尺寸來保證強度和剛度來抵御大海中各式各樣的壓力與沖擊。但內波試驗是在實驗室中進行，用于試驗的水槽、海洋結構物模型等物件的尺寸都遠小于實際，這就導致我們無法完全模擬內波在海洋中的產生與傳播， 如何減小尺寸效應和不同水體給試驗帶來的誤差也是研究重點。

2）試驗誤差問題。 試驗設備在記錄和監測的同時，都有可能出現誤差，在進行試驗時要增加試驗次數盡可能減少誤差，同時造波設備在制造內波的同時會發生振動，將會影響造波的質量，無法達到預期的效果。 探討更加有效的減振方案也是內波試驗的研究方向。

1.2 數值模擬

仿真技術隨著計算機技術的發展也愈發成熟。 利用計算機仿真技術可以模擬內孤立波的產生、 傳播和耗散過程。 其中，數值模擬造波方法可以分為2 類：一類是仿物理造波法， 是由實驗室物理試驗造波技術衍生而來；另一類是純數值造波法[9]。 仿物理實驗造波是依據重力塌縮造波法[10]、雙推板造波法[11]等物理試驗造波方法的基本原理，在數值水槽中定義物理量，模擬內孤立波的產生和傳播過程。 純數值造波法是選擇合適的內孤波理論，設置合適的數值水槽邊界條件，從而誘發內孤波的產生，如速度入口造波法[12]、質量源造波法[13]。 但內孤立波理論是所有造波方法的基礎。

大量學者對內孤立波的數值造波進行研究， 取得了一些關鍵性的成果。 內孤立波的Kdv 理論最早由Korteweg 和De[14]提出，之后學者們又相繼提出了內孤立波的eKdv、mKdv 和MCC[15]理論模型。 在此基礎上，黃文昊等[16]通過數模研究給出了這3 種內孤立波理論的適用性條件。 方舟等[13]構造了雙推板、速度入口、質量源3 類內孤立波數值造波模型， 得到了高效的內孤立波數值生成方法。 付東明等[17]建立了雙推力板內孤立波的數值模擬方法， 并利用其對細長回轉體在實尺度海洋分層環境下內孤立波的載荷特性進行分析。 并在此基礎上模擬了Subboff 潛艇模型上凸型和下凹型2 種條件下內孤立波與潛艇相互作用的流場演化過程。并將結果與數值模擬結果進行對比，驗證了內孤立波載荷數值模擬方法， 給出了潛艇通過內孤立波時水平力、垂直力和力矩的特性，并與非分層均勻流體中的結果進行了比較。結果表明，潛艇通過內孤立波時的受力會在短時間內發生劇烈變化， 對潛艇的水動力性能有明顯影響。相較于物理試驗，數值模擬可以利用計算機快速地進行模擬和處理較復雜的試驗， 且成本較物理試驗低，可以施加物理試驗時達不到的一些條件。恰當的數值模擬方法可以對試驗研究和理論分析結果進行合理性的預期。

2 內孤立波對海洋工程及潛體的作用特性研究進展

海水的密度分布不均勻。事實上，由于太陽熱輻射等因素，海水的密度分布通常具有垂直分層特征。由于海水密度的分層特性，當海洋中存在擾動源時，在一定條件下會激發出海洋內部的巨大振幅，即內波。世界上幾乎所有的大陸架區和深海區都存在內波， 許多海域存在復雜的海水分層現象，內波活動頻繁。內孤立波的傳播會引起周圍水域流場的顯著變化， 對海洋工程結構和潛水器的影響不容忽視。 在海洋工程結構和潛水器的設計中，應考慮內波的載荷和作用特性。內孤立波的力學特性可以從分層流體環境中結構物的力學響應、 內孤立波作用下的海洋工程和潛體的動力特性2個方面介紹。

2.1 分層流環境下結構物的力學響應

在海洋工程的海洋結構中，柱形結構被廣泛應用，如海底隧道、水下航行器和各種用途的跨海橋梁。研究內孤立波對此類結構的作用特性， 是認識內孤立波作用機制的基礎。因此，有必要對內孤立波力學性能的研究進展進行綜述。目前，海洋結構物的設計必須考慮其所能承受的內波浪力，Sturova[18]利用特征函數展開法、多級展開法和格林函數法， 對水下結構如圓柱體、球體、方盒及薄板等進行了較為系統的研究。 結果表明，在一定頻率范圍內， 兩相分層流體的密度差和深度對海洋結構的水動力特性有重要影響。 Cai 等[19]利用Morison 公式分析了內孤立波誘導流場中細長桿的荷載，證實小直徑樁所受內波力可達表面內波力的10 倍以上。 在內波力分析研究方面，葉春生等[20]利用Morison 公式估算了小型直立圓柱的內波載荷，并與表面波載荷、海流載荷進行了對比。 結果表明，內孤立波在傳播過程的某些階段載荷具有明顯的正負垂直交錯分布， 在此類環境中結構可能受到內孤立波引起的剪切力的破壞。

綜上所述， 內孤立波的產生和傳播導致海洋多層流體環境變得十分復雜， 使眾多海洋結構物的力學特性發生改變，特別是海洋中常用的柱形結構。思考如何在內波環境下減小海洋結構物受到的破壞是值得深究的問題。與此同時，一些研究者也嘗試探討內波環境下對結構物實施相關的防護措施： ①可在結構物的密度躍層處增加減阻板， 減阻板試驗表明減阻板能夠有效地保護海洋結構物；②也可從結構物本身出發，利用結構物的材料或是升級表面工藝的改變來影響流場形態和壓強梯度，從而起到保護結構物的目的。

2.2 內波與潛體相互作用

Du 等[21]利用分層水槽試驗研究了內孤立波沿緩坡和山脊地形對細長潛體的水平力和垂向力特性。Wang[22]測量了波-流耦合流場中內波與加長潛體相互作用的二維作用力特征。結果表明，內孤立波入射角對潛體的水平力和垂向力有顯著影響。 內波地形效應引起的結構變化將直接影響細長潛水器的力學特性。 付東明等[17]采用數值模擬技術模擬了兩層流體中內孤立波與潛體之間的相互作用。 分析了潛體在不同深度有速和無速時的內孤立波載荷特性。 姚金偉等[23]采用邊界元法計算了位于兩層不同深度流體中的潛體受到的規則波的一階內波力。 尤云祥等[24]對密度分層流體中內波與半潛式平臺相互作用進行了模型試驗研究，結果表明， 內波對半潛式平臺運動響應的會造成不可忽視的影響。

綜上所述， 潛體在密度分層的海洋內波環境下的水動力特性會發生非常復雜的變化， 如水平力、 垂向力、波浪載荷等的改變，這會導致潛體動力性能和操作難度都受到影響， 甚至會引起運動穩定性和控制操作的失控； 內波與海洋結構物相互作用可能使其產生高頻振顫等結構相應現象， 給潛體的使用壽命和任務安全都帶來了極大的威脅。在實際海洋環境中，必須將內孤立波視為潛體運行工程中重要的環境因素。

3 結束語

隨著海洋內孤立波研究的不斷深入， 人們發現海洋內波與物理海洋學和軍事海洋學等多領域聯系緊密，海洋內波產生、傳播和消散都對海洋結構物和潛體有著至關重要的影響。 內波的不穩定性使海洋工程建設難度增加，其產生的強波作用力甚至可影響潛艇水下武器的發射，不斷提高對內波的認識，對國家經濟增長和軍事實力增強都有重要作用。 本文總結歸納了眾多學者對海洋內波及其與海洋結構物和潛體的研究所取得重要研究成果， 但仍有一些問題需要深入探討。

1）海洋內波在傳播的過程中，若遇到結構物和地形可能會發生不同反射、 折射和散射等復雜的相互作用，而我國海洋涉及各種復雜地形，相關問題應考慮和涉及。

2）海洋結構物和潛體在內孤立波環境下的研究大多在兩相或三相流體中進行， 理論研究中采用的模型相對簡化，這與內波的實際特征并不完全一致。實際的海洋水體分層、分布往往更加復雜，還需思考如何更好的模擬海洋中多層流體環境。