內波流場特性及其與海洋結構物作用機理研究

《內波流場特性及其與海洋結構物作用機理研究》是依託中國科學院力學研究所，由張會琴擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：內波流場特性及其與海洋結構物作用機理研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：張會琴
• 依託單位：中國科學院力學研究所

項目摘要

海洋內波導致的採油平台振動、鑽井機扭轉、潛艇升沉等事故頻繁發生，因此內波與海洋工程結構物的相互作用成為海洋工程的重要研究課題之一，而內波的波致流是內波對海洋結構物作用的關鍵環境要素。以往對內波研究工作的重點在內波演化及其傳播規律上，內波流場研究相對薄弱，因此開展內波流場特性分析是研究內波與結構物相互作用的前提。本項目結合內波的現場觀測資料，研究各類內波，特別是大振幅長內波所致流場的基本特性，諸如內波流場結構的時空分布，典型海域環境參數（包括分層流體厚度、相對密度差等）對流場的影響等。通過漸近分析等理論方法，結合數值模擬和現場觀測資料，建立淺海、中深海和深海三種情形下合理的分層介質內波誘導的流場結構模型。從而進一步揭示內波與海洋結構物的相互作用機理，了解內波對平台安全造成威脅的原因，並提出相應的預防措施。

結題摘要

本項目通過理論分析與數值計算相結合的方法，深入分析長內波流場特性、內波載荷與平台回響，解決內波對海洋平台的作用機理等關鍵科學問題，發表兩篇國際會議論文和一項已授權專利，並在《深水半潛式鑽井平台設計與建造技術》一書中，作為主要編寫人完成了第五章中第三節題為“內波對半潛式鑽井平台總體回響”的撰寫工作。研究成果得到國內外同行專家的認可，並針對工程實際需求提出浮式平台的概念設計方法，為自主設計深海浮式平台提供科學依據。 內波流場特性：著重研究為以往學術界忽視的內波流場特徵。主要運用漸近分析的方法，給出了分層介質長內孤立波誘導的水平和垂向流場結構的近似公式，分析了隨內波傳播時內波流場的演化規律以及長內孤立波傳播時所致內波流場的物理特性和兩層流體上下層厚度和相對密度差等環境參數對流場的影響。研究結果表明：內波流場沿波的傳播方向水平分量呈脈衝狀分布，垂向分量呈正負相間類脈衝狀分布；沿水深方向基本均勻。內波流場的垂向分量比水平分量約小1個量階。推測內波強大的水平流速分量可能對海洋平台造成整體推移的動力因素，並可導致平台事故。 內波載荷與回響：建立了內波載荷與運動回響計算模型，得到了浮式平台水動力係數在內波環境下的變化規律。針對典型浮式平台的計算結果表明，內孤立波荷載約占南海50年一遇表面波載荷的20%-30%左右。 內波對海洋平台的作用機理：由於長內波流場的水平速度沿水深分布幾乎均勻，但在躍層附近呈現明顯的剪下特徵，最大速度發生在內孤立波波峰經過的時刻，因此得到了“內波主要以波致流的形式作用於海洋平台系統”的認識。 深水平台概念設計：根據內波流場特性及內波對浮式平台的作用機理，提出未來深水平台概念設計的有關建議，為深水油氣資源開發工程和深水平台概念設計提供科學依據。