畸形波模拟及其对近岸构筑物作用综述

林海华

（福建省海洋预报台，福建福州 350003）

畸形波是一种灾害性波浪，其波高极大，能量集中，具有很强的非线性，破坏力极强，对近岸和海上结构物构成严重的威胁。畸形波引起的陡峭自由面、碎波等自由面大变形问题和结构物的极限响应等强非线性流-固耦合作用问题是目前水动力学问题中的前沿和难点问题，虽然国内外研究人员在这方面做了一些工作，但很多更深层次的问题还没有深入，理清畸形波的发生机理、畸形波的模拟、对近岸构筑物的作用等一系列问题，还有许多研究要做。进一步的深入研究，将对海洋动力学的发展和促进人类对波浪理论的认识和进步具有重要的理论意义，同时对近岸构筑物的安全设计、使用和防护也具有重要的工程意义。

1 畸形波定义

畸形波是突出于周围其它波浪的短峰波，其波高很大，跟相邻的波浪几乎不相关，而且畸形波的大波峰并不与其同样大的波谷相对应。畸形波波峰形状较为怪异，为前凹后凸，前坡很陡且升高很快，出现和消失很突然，具有瞬态性，是一种强非线性、非常不对称的波浪。因此国内外学者从波高的角度进行定义，认为波高大于有效波高2.0倍的单波可以称为畸形波[1-2]。

2 畸形波发生机理

根据观测资料，近年来很多海上工程事故和灾难都跟畸形波有紧密的关系。例如，墨西哥湾海域，美国“拉马波”汽轮在行驶中忽然被巨浪吞噬；南非东南海域，某巨型油轮被巨浪袭击，折成两半；德国附近海域，一艘超级油轮遭怪浪袭击沉没；中国东南海域，几名学生在福建长乐市某海滩游玩时被巨浪卷走，还有人们熟知的好望角怪浪以及挪威北海大浪等[3]，这些工程事故和灾难基本上都与畸形波有关。

由于畸形波发生的概率较低，可利用的数据和资料较少，因此，对畸形波发生机理的解释各有不同。目前的研究结果表明，畸形波的生成原因主要分为以下两方面：

2.1 外部环境变化的影响

1）反向流的存在引起的波能聚焦。当波浪经过有潮流变化或弯曲段区域时，在流的作用下，波浪能量就汇聚到焦散区域，出现所谓尖瘦的、巨大的、畸形的波[4]。

2）风运动到波浪的连续能量传输。畸形波的出现，很大部分由风波的作用引起，在强风作用下，暴风雨中的连续能量转移到了波群中，促使波能瞬间增加，由此产生了畸形波。从畸形波发生事件和现场观测资料来看，大都发生在极端天气时。根据相关资料的分析，畸形波发生时，风波能几乎占了整个波能量的70%。

2.2 内在演化

内在演化包括线性能量叠加、非线性波相互作用、斯托克斯演变，即波陡引发的波峰变化以及高阶非线性、非线性聚焦和时空聚焦的影响。Mori[5]等人在进行研究时提出，畸形波发生时，谱中能量在瞬间集中，然后逐渐向高频部分转化。相比常规波浪，畸形波则是波能高度集中的结果。

3 畸形波的模拟

畸形波不仅历时短，难以靠常规方法预测，而且观测资料极其短缺。在资料紧缺情况下，国内外学者只能依靠物理、数值模型手段，在实验室内模拟畸形波以实现对其发生过程进行研究的目的。

Kim[6]等人在二维波浪水槽中应用逆传播的方法生成极端波浪，在静止的水面上，先产生波动，然后由扰动点开始，逐渐地向两端传播，并记录传到水槽两端的信号。Chaplin[7]在实验室中利用相速度法制造出了单个的大波，并让这些大波在一定的频率范围内，通过相频率差，使其互相作用，让波能量在水槽的一定位置集聚，最后形成单个大波。国内方面，柳淑学等人也在物理模拟中取得一定的成果，柳淑学[8]在实验室模拟了二维和三维聚焦波，胡凯程[9]、江文山[10]等人提出了深水非线性波在传播过程的波列调变。

上述研究的工作重心大都基于实验方法或者势流理论对波形的研究，但畸形波与非畸形波之间到底有什么区别，只是波形的区别？波浪场情况如何？破碎与非破碎情况下，畸形波的速度场、压力场的特征以及与其他波浪形式的差别又是如何？演变过程中，波浪场的变化情况如何？以及与能量谱型、谱峰周期、波陡等因素之间的关系又是如何？波浪破碎及水气掺混如何考虑？这些问题都是目前势流理论等研究手段无法解决的问题，要想全面了解和认识畸形波，就要建立反映物理现象本质的数学模型，发展合适的求解方法，进而达到剖析畸形波内部特征的目的。

4 畸形波对近岸构筑物的作用研究

由于畸形波出现时，构筑物会遭受历时很短的强非线性波浪荷载，发生像波浪抨击、波浪破碎、近岸构筑物破坏、整体滑移等现象。目前，畸形波对近岸构筑物的作用研究基本上采用物理模型和数值模型两种手段。

4.1 物理模型

中国水利水电科学研究院通过辽宁红沿河核电厂二期工程波浪模型试验，研究畸形波对近岸直墙式结构物的作用。在试验中，通过对浪高测量系统和点压力测量系统的同时采集，以让浪高和点压力数据保持同步，并在结果中，查看取水构筑物点压力过程线中是否存在异常。实验结果表明，取水构筑物点压力过程线存在异常情况，证明取水构筑物前和附近海域有畸形波发生，其异常点压力是由近岸畸形波传播至取水构筑物并对构筑物冲击造成的。通过压力显示值可以看出，畸形波造成的异常点压力约为常规波浪最大点压力值的2.3倍，因此，畸形波会比常规的波浪产生更大的波压力，对近岸构筑物会造成极其严重的毁坏，应加强对近岸构筑物的防护，提高其强度和稳定性。在近岸构筑物设计中，应该考虑畸形波的作用，并适当提高构筑物承压设计值。

4.2 数值模型

畸形波对近岸构筑物的作用研究通常也采用数值模型来进行，主要有计算流体力学、SPH方法、CIP方法等。近年来，计算流体力学（CFD）在处理自由面流动问题时出现了很多技术，基于黏性流体理论、求解N-S方程的数值方法等为自由表面流动研究注入了新的活力，这些模型可处理自由面的大变形、水气的掺混等多相流问题，具有处理波浪与近岸构筑物相互作用的能力。Cao[11]等（2012）基于OpenFOAM模型再现了畸形波对近岸竖向圆柱的作用问题，分析了作用力的分布和圆柱周围的自由面情况。澳大利亚联邦科学与工业研究组织的Rudman课题组基于SPH方法开展了斜向畸形波与海洋结构物的模拟研究。粒子方法因其无网格的特性使其具有模拟强非线性自由面问题的优势，但是其缺点也很明显，计算速度慢。德国汉堡科技大学的Mocta课题组基于雷诺平均的N-S方法，建立了畸形波在平台上的爬高和冲击相关的波浪力等问题的两相流模型，考虑波浪破碎和水气的掺混等问题，而没有考虑构筑物的响应问题。英国曼彻斯特都会大学的Mingham课题组基于求解N-S方法的两相流模型，开展了浮子式波能发电装置在畸形波作用下响应研究，重点研究了不同类型的浮子单自由度响应问题，但是没有研究内部流场特征及多自由度问题。Zhao和Hu（2012）[12]基于自主研发的CIP模型开展了极端波浪条件下浮体两自由度响应的模拟研究，初步验证了CIP方法建立的波浪水槽对该类问题的适用性，而畸形波的作用荷载的特点，畸形波作用下的波浪力、构筑物的运动响应、结构物周围的多相流耦合流场特征与其他波浪形式的差异等问题还没有涉及。随着计算机的发达和高阶精度计算格式的出现，与畸形波作用荷载相关问题的研究将会有更大的发展空间。

5 结语

本综述介绍了畸形波的模拟以及对近岸构筑物作用的研究现状及其相关问题的分析。从畸形波定义出发，探讨了畸形波的发生机理，以及畸形波的模拟及畸形波对近岸构筑物的作用等工程相关问题。总体来讲，人们对畸形波的了解还很有限，只见其表象，而未知其深意。随着海洋开发利用活动的日益频繁，所涉及的近岸工程的防护和减灾需求日益迫切，对畸形波的进一步认识和研究显然成为了当今社会的一个重要课题。通过对畸形波模拟以及畸形波对近岸构筑物作用的进一步研究，不仅拓宽了波浪对建筑物作用研究的范畴，而且对近岸构筑物的安全设计、使用和防护起到了重要的作用，进一步推动了海洋防灾减灾事业的发展。

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