海洋结构物砰击问题的研究与进展

刘明, 高东博, 左卫广

(1.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461； 2.中交第四航务工程勘察设计院有限公司 港航事业部，天津 300381； 3.华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

海洋结构物砰击问题的研究与进展

刘明1, 高东博2, 左卫广3

(1.中交第一航务工程局有限公司，天津 300461； 2.中交第四航务工程勘察设计院有限公司 港航事业部，天津 300381； 3.华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

基于海洋环境下结构物的刚性特征与研究方法，探讨了大尺度海洋结构物的砰击问题，详细回顾并分析了国内外对刚性体砰击问题的理论研究、经验公式研究、数值和物理模型试验研究的相关创新成果,着重概述并总结了弹性体砰击问题的研究方法与成果，旨在对海洋结构物水动力问题的研究提供参考。

砰击问题;刚性体;水弹性;砰击荷载;研究综述

水面上的海洋结构物(如高桩码头、海洋平台、海上栈桥、开敞式码头、海上高速公路桥等)或结构物元件与流体之间发生的冲撞现象称为砰击，也称冲击。砰击问题涉及到固体、流体和气体三相介质之间的耦合作用，属于一种非线性的瞬态水动力问题。严重的砰击会造成海洋结构物局部损坏或整体坍塌，造成巨大的人员伤亡和严重的经济损失[1]。

对于弹性的海洋结构物来说，不仅受到波浪砰击作用，还受到波浪作用产生的振动响应，这是一个复杂的水动力学问题，结构物的振动响应和波浪的砰击作用的求解是解决该问题的关键。随着国家对海洋资源开发力度的增加，水弹性力学在海岸和近海工程中有了进一步的发展。因此，为了能够进一步了解国内外砰击问题的研究方向与研究动态，本文对海洋结构物砰击问题的研究现状与进展进行了综述[2]。

1 刚性体砰击问题

根据结构物砰击方式的不同，砰击问题一般可分为入水和波浪砰击2种；根据结构物形状的不同，砰击问题一般可以分为楔形体和水平板砰击2种[2]。关于砰击问题的研究方法一般可分为理论研究、经验公式研究、数值模拟研究和模型试验研究4种。

1.1 理论研究

最早有关砰击问题的理论研究可追溯至1929年，Von-Karman将水上飞机降落过程理想化为一个二维刚性楔形体的垂直对称入水过程，并对水上飞机降落过程中受到的砰击载荷进行了研究，由此拉开了人类对海洋结构物砰击问题研究的序幕。

Von-Karman 利用经典的牛顿力学思想，将流固之间的相互作用转化成固体之间的相互作用，如图1(a)所示[3]。对于流固之间的相互作用，Von-Karman还通过动量守恒原理推导出了楔形体入水砰击载荷的计算公式。WAGNER考虑到自由表面处存在水面隆起的效应发展了Von-Karman的线性入水砰击理论，如图1(b)所示[4]。同时，WAGNER提出了自相似解法，为自相似理论、匹配渐进展开法和Laplace变换法等在此领域的研究应用奠定了基础[2]。

WANG认为,波浪砰击水平板时，水体与非连续边界每次接触都会产生波浪砰击力[5]。BROUGHTON认为，水平甲板底面所受的波浪砰击力主要是惯性力作用的结果，作用力的冲量等于甲板动量的改变量，如图2所示[6-7]。

图1 二维楔形体入水砰击模型

图1中：B为楔形体的宽度；h为楔形体的高度；β为楔形体的斜升角；V为楔形体的入水速度；z为楔形体的入水深度；c0为Von-Karman砰击模型虚拟平板半长；c为Wagner砰击模型虚拟平板半长；S.W.L为砰击模型静水面；O为二维坐标原点(位于静水面)。

图2 波浪表面与甲板相互作用的理论模型

图2中：c为入射波浪传播速度；ηh为甲板底面之上的入射波面高度；t为时间变量；FH为甲板水平波浪冲击力；ρ为波浪水体密度；b0为甲板宽度；u为波面水质点水平速度；FV为甲板竖向波浪冲击力；cdt为波浪传播位移增量；ct为甲板底面浸湿长度。

KAPLAN等认为，水平板底面所受的波浪载荷包含有砰击力、拖曳力和浮托力3种成分。砰击力一般由惯性力和附加质量力组成[8-9]。MARIN 认为,水平板波浪载荷主要由高频的砰击力和低频的准静态力组成[10]。TANIMOTO等基于Von-Karman砰击理论和势流理论对大尺度水平板波浪砰击问题进行了理论研究[11]。DNV-RP-C205 基于Kaplan理论，通过流体动量守恒给出了二维水平板砰击荷载的表达式[12]。

由上述研究成果可知，大尺度海洋结构物砰击问题的理论研究多采用以附加质量为基础的动量守恒和势流理论的方法进行，这为大尺度海洋结构物砰击问题的经验公式研究与数值模拟研究奠定了基础。

1.2 经验公式研究

GODA 认为，作用于透空式栈桥面板底部的最大浮托力主要是砰击载荷[13]。ELGHAMRY 认为，水平甲板上托力与波高、甲板净空、波陡和波浪周期均有密切的关系[14-15]。FRENCH 认为，入射波前首次浸湿平板底面而产生砰击压力峰值，其后波前沿着平板底面传播，其压力峰值沿波前平板底面进行传播至波前停止浸湿为止[16]。SUCHITHRA等认为，波浪频率、平板净空、K-C数和加强筋对修正的砰击系数均有影响[17]。过达等分别通过模型试验给出了平板结构波浪砰击载荷的计算公式[18-24]。

《海港码头结构设计手册》《海港工程设计手册》《蓄滞洪区建筑工程技术规范》《AASHTO》和《海港水文规范》分别推荐了一种平板结构波浪砰击荷载的计算方法[25-29]。OVERBEEK和周益人等分别通过模型试验得到了飓风浪作用下的突堤甲板与透空式水平板底面波浪砰击荷载的经验表达式[30-32]。

由上述创新研究成果可知，对于经验公式的研究大多采用模型试验或理论与试验相结合的方法进行。通过物理模型试验得到的经验公式应用于工程实际的局限性较大，且由现有工程难以得到理想的经验公式。因此，国内外学者对数值模拟方法进行了深入的研究，并将其应用于工程实际中。

1.3 数值模拟研究

IRAJPANAH基于有限元法建立了水平甲板波浪砰击作用的数值模型[33]。LAI等基于势流理论和有限元法对水平板的波浪砰击问题进行了数值模拟研究[34-35]。LI等建立了椭圆余弦波对海洋结构物砰击作用的数值模型[36]。BAARHOLM等基于势流理论，应用非线性边界元法对二维刚性水平板的波浪砰击问题进行了数值模拟[37-38]。THOMAS 基于边界元法建立了平台甲板波浪砰击作用的数值模型[39]。

王永学(WANG Y.X.)基于VOF液体晃荡数学模型建立了规则波对水平板砰击作用的数值模型[40-41]。任冰等建立了不规则波的二维数学模型[42-43]。李雪临基于任冰的研究成果建立了主动吸收无反射的VOF数值波浪水槽[44]。张齐焰基于RANS-VOF模型建立了非线性波浪对透空式结构物砰击作用的两相流VOF数值模型[45]。丁兆强基于任冰的研究成果建立了三维VOF的数学模型[46]。孙家文基于改进的SPH固壁边界与修正的核函数建立了波浪对水平板砰击作用的SPH数值模型[47]。高睿建立了求解二维自由表面流动问题的波浪砰击水平板CSPM-R数值模型[48]。LIND等建立了波峰对平板底面砰击问题的两相不可压缩(流体)-可压缩(气体)光滑粒子水动力学法(ICSPH)数值模型[49]。

由以上的数值模拟研究成果可知，对于波浪砰击问题的研究由规则波发展到不规则波，由单相流发展到两相流，VOF与SPH方法已成为大尺度海洋结构物砰击问题研究的重要方法之一，其二维结构物的研究成果较多地被应用于工程实际中。随着数值模拟技术的迅速发展，使得物理模型试验研究得到了较大的发展，可用物理模型来验证数值模拟对工程实际的适用性与实用性。

1.4 模型试验研究

王永学(WANG Y.X.)等为了分析入射波、净空和模型尺度等对波浪砰击压力的影响，对透空式平板结构的波浪砰击作用进行了物理模型试验研究[50]。任冰等通过一系列物理模型试验对不同接岸形式桩基码头上部结构的随机波浪砰击作用进行了研究，并利用PIV技术对波浪砰击过程流场变化特性进行了试验研究[51-56]。周益人等分析了规则波作用下高桩码头面板的最大压强分布和不规则波作用下码头面板累积概率1%的压强分布[57]。STANSBERG等分析了气垫效应，预测了柱状基础平台甲板的最大波浪砰击力[58]。SCOLAN等通过物理模型对三维水平板底面的驻波砰击位置与能量进行了试验研究[59]。CUOMO等分析了开敞式码头面板结构与波浪相互作用的变化过程，并对其分析内容进行了物理模型试验研究[60-61]。陈自祥等为了分析不同相对超高下墩台底面波浪压强的作用过程和分布以及上托力的变化，对码头桩基墩台底面波浪砰击压强和上托力进行了物理模型试验研究[62]。

由上述的研究成果可知，关于砰击问题的模型试验研究由二维发展到三维、由规则波发展到不规则波、由不考虑气垫发展到考虑气垫的原型试验研究阶段。物理模型试验研究是检验工程设计方案合理性与优化工程方案的重要手段，其试验数据的准确性以及相似性已得到海内外学者以及工程技术人员的认可。

2 水弹性砰击问题

以往对砰击问题的研究，大多是把结构视为刚体，没有考虑到结构刚度对砰击的影响，忽略了结构振动或变形对砰击载荷的影响。实际砰击过程中结构会产生变形，变形反过来会影响流体的运动，合理的做法是同步模拟流体和结构的耦合作用。国际船模拖曳水池会议第25届会议报告中把砰击和液体晃荡等流固耦合问题列为当前水动力研究中的一个重点方向，国际水波与浮体研讨会中关于砰击和结构水弹性问题的研究更是占有相当的比例，说明了国际上对流固耦合和水弹性砰击问题研究的重视。

对于水弹性砰击问题，目前考虑结构弹性效应砰击问题的研究成果多集中在船舶工程领域，而对平板波浪砰击问题的研究成果较少。根据大尺度结构物的形状不同，水弹性砰击问题可分为楔形体和水平板砰击2种类型。

2.1 楔形体砰击

文献[63]中显示，Sharov是最早对弹性楔形体的入水砰击问题进行研究的人员之一。Sharov将弹性体的入水问题处理成2个问题的结合：一是先不考虑结构的弹性，求解流场和流体对物体的作用力；二是在已知物面压力分布的情况下计算结构的弹性变形。

TAKAGI 忽略气垫影响对二维弹性楔形体入水砰击问题进行了理论和试验研究[64]。FALTINSEN基于Wagner的砰击理论[4]对弹性楔形体的入水砰击问题进行了理论和试验研究[65]。卢炽华基于边界元法和有限元法对弹性楔形体入水砰击问题进行了数值研究[66]。KHABAKHPASHEEVA等基于势流理论与Wagner的砰击理论[4]对弹性楔形体的入水砰击问题进行了数值研究[67]。孙辉等为了分析流固耦合下结构的动态响应，对二维弹性楔形体的入水砰击过程进行了试验研究[68]。莫立新等为了测量入水速度、砰击压力和结构响应，对弹性楔形体入水砰击问题进行了模型试验研究[69]。朱克强等对船舶底部入水砰击过程进行了理论分析研究[70-71]。SHAMS等基于Wagner理论对弹性楔形体的入水砰击问题进行了理论研究[72]。

由上述楔形体入水砰击问题的研究成果可知，国际上已较早地对楔形体砰击问题进行了研究，目前关于弹性楔形体的研究比较成熟，主要的研究方法有数值模拟与物理模型试验研究2种，其研究成果的推广及应用多集中在船舶工程领域，部分成果已应用于解决工程中的实际问题。

2.2 水平板砰击

CHUANG为了分析弹性性能对砰击力的影响，对弹性水平板的入水砰击问题进行了试验研究[73]。研究结果表明：弹性板的砰击压力包括2部分，砰击过程中保持刚性部分的刚体砰击压力和弹性板震荡表面与周围流体之间的相互作用压力。后者与砰击面运动方向相反，故减小了刚性板的砰击压力。

FALTINSEN等为了分析砰击压力峰值与入水速度的关系，基于Wagner的砰击理论[4]与渐进理论对弹性板的入水砰击问题进行了理论与试验研究[74-75]。WILDE等基于Kalman滤波法对弹性支撑水平板的驻波砰击作用进行了理论与试验研究[76]。SULISZ等为了解砰击过程中荷载与响应的特征阶段，对弹性支撑刚性平台的波浪砰击作用和动力响应进行了理论与试验研究[77-78]。

郭保臣为了分析弹性支撑下水平板的运动规律，对弹性支撑水平板波浪砰击作用下的动力响应问题进行了试验研究[79]。宋子路和孙见锋为了了解弹性支撑下砰击荷载与动力响应的变化规律，分别对弹性支撑水平板的波浪砰击作用与动力响应进行了试验研究[80-81]。

由上述研究成果可知，弹性水平板砰击问题的研究多采用物理模型试验法进行研究，由于水平板波浪砰击问题涉及到气、液、固三者之间的耦合作用，二维问题局部变形处由于气体的存在，可能会出现三维效应的影响，该三维效应主要是通过一些二维的近似处理或经验公式修正得到。同时，对于砰击问题目前还很难在理论上建立一个三维的包含气、液、固的流场和运动边界的数学模型来描述，尤其难以建立固体域弹性变形造成的耦合效应的三维模型。因此，目前对弹性水平板砰击问题的研究大多局限在用物理模型试验方法进行研究方面。

3 结语

目前，关于水弹性砰击问题的研究主要建立在数值模拟与模型试验2种方法的基础上。在研究中，砰击问题机理的复杂性，使得国内外学者不得不将此问题进行简化处理，如三维结构物的对称化、三维效应二维近似等，简化处理的结果不足以表征此典型流固耦合问题。

目前，对刚性体砰击问题的研究方法比较多，主要有理论、经验公式、数值模拟与模型试验等方法，其中数值模拟方法较成熟，应用较广泛，同时大多数经验公式均具有砰击问题的理论研究成果。而水弹性砰击问题的研究发展比较缓慢，研究方法多为模型试验法，方法较单一，基本处于初级研究阶段。因此，关于弹性海洋结构物砰击问题的研究，迫切需要创新刚性体的砰击理论并优化数值模拟算法，以使具有非线性瞬态动力的流固耦合问题得到解决，以推动水弹性力学的发展。

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ResearchandDevelopmentoftheSlammingProblemofLarge-scaleMarineStructures

LIU Ming1， GAO Dongbo2， ZUO Weiguang3

(1.CCCC First Harbor Engineering Company Ltd.,Tianjin 300461, China;2.Harbor Business Department, CCCC Fourth Harbor Consultants Co., Ltd., Tianjin 300381, China;3.North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China))

Based on the rigidity characteristics and research method of marine structures, the research and development of slamming problem of large-scale marine structures were discussed. In this article, we reviewed and analyzed the innovative research results about the slamming problem of rigidity bodies, such as theoretical researches, empirical formulas, the experiments of numerical and physical models. We summarized the methods and results researching the slamming problems of elastic bodies. The summarized results will provide some reference to the research development of the hydrodynamic problems of marine structures.

slamming problem; rigid body; hydroelasticity; slamming loads; research overview

2016-10-23

刘明(1984—),男,陕西富平人,工程师，博士,从事工程技术管理、波浪与建筑物相互作用方面的研究。E-mail:lium@ccccyhj.com。

左卫广(1981—),男,河南安阳人,讲师，博士,从事波浪与建筑物相互作用方面的研究。E-mail：weiguangzuo2004@163.com。

10.3969/j.issn.1002-5634.2017.05.010

TV131.6;P753

A

1002-5634(2017)05-0076-06

(责任编辑杜明侠)