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流体力学在海洋工程中的研究进展
海洋工程以开发、利用 、保护 、恢复 海洋资源为目的， 在海岸线向海一侧进 行新建、改建、扩建工程。 Philosophical Transactions of the Royal Society A 2015 年 373 卷 2033 期发表了“流体力学 在海洋工程中的研究进展”专题， 探讨了 流体力学应用于海洋工程所取得的最新 进展， 并着重强调其中的建模问题， 本期 专题由 Maurizio Brocchini 和 Odd Magnus Faltinsen 整理编辑（ 图 1）。 专题中 强调， 尽管与可再生能源开采（ 从波浪、 水流和风力）相关的“新兴海洋工程”非 常重要， 但人们仍应该将注意力集中在 “经典海洋工程”， 也即服务于海军、石油 和天然气产业的工程领域。 这两个领域 的研究方向在实际应用中差别较为明 显， 但从物理学角度考虑其差别不大。 非线性规则波中三次谐波力激发的张力腿平台共振 哈尔滨工业大学的 Zhou 等基于完 全 非 线 性 理 论， 采 用 高 阶 边 界 元 法 （BEM）研究了由规则波的三次谐波力激 发的浮动张力腿平台（TLP）共振。 作者 基于通过主体从无穷性和扰动势而来的 输入波， 将总波高度和总速度势分离成两部分。 在远场下， 应用数值辐射条件 吸收扰动势， 而不会影响入射势。 在自 由表面上的边界元网格仅在初始时间生 成一次， 随后使用弹簧分析方法使该元 素节点在不改变连接的情况下发生重 排。 通过一些辅助功能， 解耦流体/构造 动作的相互依赖， 这样无需知道压力的 分布便可获得的主体加速度。 对浮动 TLP 与波的相互作用进行数值模拟， 重点 在于主要由高次谐波力激发的动作。 同 时作者还研究了在规则波三重波频下由 三阶力所产生的 ISSC TLP 共振， 以及应 力束的张力。 大风暴中海底管线的稳定性 西澳大利亚大学的 Draper 等认为， 底部稳定性设计对确保海底管线输送烃 类的安全性和可靠性来说非常重要， 但 要在恶劣的海洋气象条件（ 气象学和海 洋学）尤其是大风暴下（ 如热带气旋、飓 风或台风） 实现起来则是一项挑战。 因 为海底流动可以导致管线在沙质海底的 下降和自我埋藏， 同时目前也未有工业 设计标准为利用海底流动的潜在性能提 供指导。 文中作者展示了管道冲刷实验 模型的最新进展及管线在大风暴中稳定 性变化的研究结果。 作者还特别考察了 风暴的初始阶段， 在这段期间侵蚀床的 冲刷是不可避免的， 因为该条件下风暴 速度经历了峰值。 在此初始阶段， 作者 比较了一次大风暴近床峰值速度的增加 速率（通常小于 10-3 m/s2）和一条管线冲 刷随后下降的速率（ 其不仅依赖于风暴 速度， 还与下降机制和管线属性有关）。 研究表明， 二者相对差异的幅度影响着 管线在风暴中的包埋和管线稳定性。 浮动二维体与月池的波振响应 船舶与海洋结构中心（CeSOS） 的 Fredriksen 等研究了浮动静态二维体与 月池的规则波振行为。 研究的重点在于月池和刚体运动的活塞模式振谐运动。 作者进行了二维实验， 并进一步发展了 先前应用于相关问题的两种数值混合方 法。 这两种数值方法伴随潜势和黏性流 动， 半非线性混合方法采用线性自由面 和体边界条件， 另一方法采用全非线性 自由面和体边界条件。 谐波多项式元方 法在势流域解拉普拉斯方程， 而有限体 积法在近体黏流域解 Navier-Stokes 方 程。 两组方法的结果与实验数据进行比 较。 非线性混合方法与数据的一致性较 好， 而半非线性方法观察到某些差异， 过 度预测了辊运动。 文章讨论了在半非线 性混合方法的误差来源。 月池强烈影响 了月池活塞模式谐振频率附近的频率范 围下的垂荡运动。 活塞模式谐振频率下 月池中未发生谐振的水中运动。 相反， 垂荡固有频率下发生月池的大运动， 与 活塞模式谐振频率附近的小阻尼相关。 陡波和表面穿孔列间的相互作用 伦敦帝国学院的 Swan 等给出了受 到广泛表面引力波的一个单面穿孔列的 实验结果。 选择列直径 D使波流在拖惯 性机制内， 识别了两种类型的高频波散 射。 第一种由列表面在上游和下游滞流 点附近的溯升和冲下所驱动。 第二种涉 及到列周围的流体循环， 其导致一对非 同心波阵面的散射。 第二种模式演变的 波周期相位取决于流体移动绕柱的时 间。 这引入了额外的时间尺度， 解释了 为什么现有基于入射波谐波分析的衍射 解， 无法描述这种散射组件。 散射波和 下一个（陡峭）入射波之间的相互作用可 以产生散射波的大量扩增， 特别是第二 类型的散射波。 作者提供证据表明了这 些相互作用可以产生高度局部化的自由 表面效果， 包括垂直喷射（对甲板高程的 设定具有重要意义）、波浪冲击的发生和 大溯升速度的发展。 （田恬 编译） |
