畸形波作用下海洋结构物响应的研究进展

高宁波，杨建民，李 欣

（上海交通大学，上海200030）

0 引言

随着陆地及浅海资源的枯竭，海上油气等资源的开发不得不向更深、环境更恶劣的深海发展，因此如何确保恶劣海况下海洋结构的安全就显得愈发重要。畸形波是一极端波浪，具有突出的波高、波峰波谷的非对称性以及在波峰前有可怕的“深海巨洞”等显著特征，且多发生于墨西哥湾、台湾海峡、南中国海、日本海、北海等海洋气象条件恶劣的海域，例如著名的“新年波”［1］就发生在北海海域（如图1所示）。这些海域海上生产作业繁忙，因此畸形波作用下海洋结构物的安全问题就非常突出。在海洋结构物设计过程中，极端海况下畸形波的影响、畸形波的生成机理、畸形波对结构物载荷的有效简化模型以及畸形波对浮式海洋平台的抨击、气隙、甲板上浪等问题均需给予足够重视。

目前，针对畸形波的研究更多集中在揭示其生成机理［2］，利用数值或实验室水池等技术生成畸形波等方面，而对畸形波与海洋结构物之间相互作用的研究较少。畸形波作为一种具有突出波高、波峰波谷强、非对称性等特性的极端恶劣海况，将给船舶与海洋结构物带来巨大危害。因而，在海洋结构物设计阶段并不能忽视。

1 畸形波的定义和成因

1.1 畸形波的定义

对于畸形波，现在并没有统一的定义，最简单的定义是从波高的角度出发，即：最大波高大于有义波高的2倍：

图1 “新年波”波浪时历

式中：Hmax为最大波高；Hs为有义波高

在Rayleigh分布的假设前提下，每3 000个波浪中会发生一个畸形波，波浪平均周期为10s，每8h产生一个畸形波，当考虑到畸形波强非线性特性时，需要引入其他参数来定义畸形波，表1为畸形波的定义汇总［5］。

表1 畸形波定义

1.2 畸形波危害及多发海域

畸形波具有突出的波高、波峰波谷非对称以及发生的不可预见性等特征，对海洋结构物和船具有巨大的危害。已有的资料证明畸形波发生在世界各大海域，图2为2006～2010年世界范围内有记录的畸形波发生事件分布［6］。在一些海域畸形波发生概率相比于其他海域更加频繁，比较著名的海域是南非东南海域，该海域有明显的海流（Agulhas Current）。

图2 2006～2010畸形波事件的海域分布

1.3 畸形波生成机理

畸形波的生成机理大致可分为线性理论和非线性理论。其中，线性理论包括波的色散聚焦、流的作用、海底地形影响等；非线性理论中的调制不稳定性（Modulational Instability）则被视作深海中畸形波最为可能的成因［7］。尽管有许多关于畸形波生成的物理解释［8］，但目前为止还没有一种理论能合理阐述实际海况下畸形波现象。畸形波生成机理总结见表2。

表2 影响畸形波生成的因素

近年来有学者关注海底摩擦对畸形波生成的影响，文献［15］介绍了海底摩擦对畸形波生成的抑制作用，认为尽管和畸形波成因中的非线性因素相比，海底摩擦是小量，但是它的确能抑制非线性薛定谔方程孤立子解的形成（深海中畸形波的一种成因），并进行了数值验证。

总之，促使畸形波生成的因素并不唯一，风、流、海底地形、波浪的高阶非线性相互影响等一种或几种因素的共同作用导致了畸形波的形成。

2 模拟畸形波的方法

（1）“新波”（NewWave）理论

“新波”理论采用许多成分波定点汇聚形成一突出的波，本质上是一种特殊形态的脉冲波。在“新波”理论中，波面形状可以表示为最大波峰幅值与能量谱相关函数的乘积形式：

加入空间变量，单向入射波可表示为：

式中：ηR是最大波峰幅值；σ是波浪记录的标准差；S（ω）为谱密度；x0为最大波峰发生位置；t0为最大波峰发生时刻；kn和ωn分别为第n个正弦分量的波数值和圆频率，并且满足色散关系。

（2）约束式“新波”（Constrained NewWave）理论

“新波”理论只能模拟波浪记录中一小部分，在聚焦位置前后，波面近乎平静，与真实环境下畸形波发生时的波浪序列不同，因而需要改进“新波”理论。约束式“新波”理论在不改变随机波浪统计特性的前提下，将“新波”嵌入随机波浪，可以得到近似实际海洋环境下畸形波波浪序列。式（4）表示最大波峰幅值在t＝t1时刻出现：

式中：m2为波浪谱的二阶矩表示最大波峰处的斜率；ηI（t）为背景随机波浪，由式

求得。小心选取最大波峰ηR的值是保证“新波”不改变随机波浪统计特性的必要条件。

（3）优化波（Optimised sea）理论

一个随机海况可以由式（5）通过许多成分波线性叠加得到。通过优化手段，能够得到目标波浪。优化过程由以下三部分组成：（1）定义目标波浪；（2）初始波浪序列由式计算得到，其中初始相位随机选取；（3）优化调整随机相位以得到随机波浪背景下的目标畸形波。

3 畸形波对海洋结构物作用的研究进展

随着全球气候变暖，海洋环境愈发恶劣，船舶与海洋结构物的安全问题日渐突出，在海洋与近海工程领域，安全经济的海洋结构物是工程人员的设计目标，这就要考虑到波浪对海洋结构物及船舶的影响，从而合理地预报载荷与响应。

波浪和海洋结构物的相互作用大体上有以下三种研究思路：

（1）物理模型试验。该方法的优势是能够真实的模拟水动力学问题，并能测量一些关键参数、拍摄录像等；劣势是无法避免尺度效应的限制。

（2）势流理论。假定流体无粘、无旋、不可压缩的理想流体，则存在势函数满足拉普拉斯方程，通过求解势函数，进而求解速度。知道速度后，由伯努利方程可知压力，知道压力分布后，沿表面积分可得波浪对结构物的作用力。

（3）基于粘性理论的计算流体力学方法（Computational Fluid Dynamics）。由于计算机技术的飞速进步，计算能力呈指数倍增长。该方法能计算波浪破碎、甲板上浪等强非线性以及粘性作用不可忽略的问题。CFD方法的优势是对所有的海洋工程领域的流体问题都适用，并且不受尺度效应的限制。但是CFD方法非常耗时，而且价格不菲，CFD计算得到的结果需要有实验数据对比才能为工程界接受。

由于畸形波波高突出、波峰波谷具有强非对称性，因而势流理论的应用受到了极大限制。现有的研究大致集中在物理模型试验和CFD两方面，这两种方法主要是基于聚焦波浪理论［15］，在物理水池或数值波浪水池中将多个简单波浪通过调制，在特定地点得到聚焦，得到一突出波高，研究该位置处聚焦波浪与结构物的相互作用。

Clauss［19］采用优化波列的方法，能够在水池中生成满足预设参数并且包含畸形波的波列，并研究了迎浪状态下畸形波和FPSO在不同相遇位置时，FPSO运动响应和垂向弯矩变化规律，得到在进行结构强度设计时，要考虑畸形波的影响。

Schellin等人［20］采用CFD方法对典型三腿式自升式平台在畸形波作用下甲板抨击载荷进行了研究（如图3所示）。文中分别考虑了有风和无风条件下三组不同波高和波陡的畸形波从不同方向接近平台时，对平台整体所受载荷和局部构件所受载荷进行了分析，进而得出平台水平所受载荷引起的倾覆力矩会超出基于斯托克斯波理论得到的值。

图3 畸形波作用下的自升式平台

Bennett等人［21］进行了畸形波对有航速的船体运动影响的实验研究，并作出数值预报。实验结果表明，畸形波不一定是船舶所能遇到的最恶劣的海况，但是在畸形波作用下，船舶运动的加速度超出了船级社规范值，因而在进行设计阶段需要考虑畸形波对船舶的影响。

Rudman等 人［22］采 用 Smoothed Particle Hydrodynamics（SPH）方法研究畸形波抨击浪向角和预张力对张力腿平台运动的影响，并且预测每一条张力腿的最大张力。结果表明，浪向角的主要影响是决定了张力腿的峰值张力和“松弛”现象，45°浪向角时，迎浪张力腿上张力最大；浪向角的改变对垂荡、纵荡、纵摇运动幅值影响不大，可以忽略不计。随着预张力的增加，张力腿的“松弛”现象得到明显遏制。

赵西增［23］采用CFD方法研究了二维浮体在畸形波作用下的复杂流体现象，包括二维浮体大幅度运动引起的甲板上浪和波浪破碎等，并且进行了实验对比。对比结果显示，CFD方法适用于评估畸形波诱导下浮体的运动响应。

4 结语

由于畸形波大多在未知和不可预测的情况下发生，可靠的测量、分析结果非常少，故对其发生机理目前还未有统一的认识，对其发生的几率及工程意义还不明确。因此还有许多方面需要继续研究，如：

（1）分开考虑风和流对畸形波生成的影响，建立合理的数学模型，在实验室水池内模拟畸形波的生成，以求揭示其生成机理。

（2）研究畸形波作用下浮式深海平台响应问题，以及畸形波对平台的抨击载荷、甲板上浪、气隙等的影响。

（3）进行海洋实测，建立海洋环境资料数据库。

目前我国能源战略、海洋权益问题日益突出，以“海洋石油981”为代表的多型重大海洋工程设备蓄势待发。然而，高风险是深海开发工程的固有特性，海上安全事故一旦发生，将损失惨重。因此揭示畸形波这一极端恶劣海况的内部结构及其对深海平台作用机理有重大的工程实际意义。

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