畸形波的動力學機理及其對深海平台強非線性作用研究

《畸形波的動力學機理及其對深海平台強非線性作用研究》是依託上海交通大學，由楊建民擔任項目負責人的重點項目。

基本介紹

• 中文名：畸形波的動力學機理及其對深海平台強非線性作用研究
• 項目類別：重點項目
• 項目負責人：楊建民
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

深海平台已成為國際海洋工程領域的前沿科技研究熱點，其如何克服深海惡劣的自然環境，確保海上安全，是海洋工程科技研究的首要命題。本項目針對畸形波的動力學機理及其與深海平台的非線性相互作用問題，開展深入研究探索，內容包括：深海環境中畸形波特性與生成演化機制，畸形波與深海平台系統的非線性相互作用，波浪爬升、氣隙與波浪砰擊特性，畸形波作用下浮式平台結構的非線性動力回響與動態屈曲分析，以及相關精細模型實驗方法。通過項目研究，揭示畸形波生成和演化機理、波浪砰擊中的流-氣-固三相耦合機理，深入認知深海平台結構在畸形波作用下的非線性極端波浪載荷與運動回響、波浪爬升與波浪砰擊、結構動態多模態屈曲等的物理特性和規律，建立相關理論模型和分析方法、數值模擬與模型實驗方法。研究成果將顯著提升關於畸形波問題及其對深海平台作用機制和規律的認知，為深海工程裝備在極端波浪環境中的安全性評估提供理論基礎和分析方法。

結題摘要

本項目針對畸形波的動力學機理及其與深海平台的非線性相互作用問題，深入開展了基礎性、前沿性研究，在深海環境中畸形波特性與生成演化機制，畸形波與深海平台系統的非線性相互作用，波浪爬升、氣隙與波浪砰擊特性，畸形波作用下浮式平台結構的非線性動力回響與動態屈曲分析，以及畸形波與深海平台相互作用精細模型實驗方法等方面取得了重要的研究成果。基於波浪的調製不穩定性聚焦機理，套用非線性波浪演化過程的數學模型，提出了利用離散步長-虛擬波譜方法求解四階非線性薛丁格方程，對畸形波的發展、演化、變形過程和規律進行了數值模擬，揭示了強非線性極端波浪的生成機理。針對波浪爬升問題，從爬升幅值、曲線波動位置、立柱迎浪投影面形狀等因素出發，探討了波浪爬升效應和自由表面漩渦形成的內在機理，建立了用於求解畸形波與深海結構物相互作用的CFD數值模擬方案，給出了極端波浪下平台周圍水體的運動特徵。針對非線性波浪力，開展了精細模型試驗研究，提出了基於小波變換的波浪力傳遞函式，能夠可靠地分析瞬態回響中的波浪力和波浪的對應關係，進一步地，基於小波譜與自相關譜對畸形波及其波浪力的能量結構開展研究，闡明了波浪力非線性高頻成分對波浪力峰值的貢獻及其來源，採用改進惠勒拉伸模型與頻變慣性力係數相結合的方法，提出了畸形波條件下的非線性波浪力的理論預報模型。在非線性動力回響與動態屈曲分析問題上，提出了可以處理自由液面流動和強砰擊作用的隱式整體流固耦合算法，研究了畸形波與海洋結構物的相互作用，分析了畸形波的砰擊載荷和結構的水彈性回響，深入認知深海平台結構在畸形波作用下的非線性極端回響的物理特性和規律。本項目的研究成果，顯著提升了關於畸形波問題及其對深海平台作用機制和規律的認知，形成了畸形波的動力學機理及其與深海平台的非線性相互作用的理論體系，對深海工程裝備在極端波浪環境中的安全性評估提供了理論基礎和分析方法。