评估浸没在水中且受到孤立波浪作用的刚性障碍物的水动力系数

《Ocean Engineering》：Assessing the hydrodynamic force coefficients for submerged rigid barriers exposed to solitary waves

研究孤波与水下刚性结构（正方形和矩形屏障）的水动力相互作用，通过水槽实验校准Morison方程和横波方程的系数，对比线性与非线性的计算精度，分析结构稳定性（滑动、倾覆、地基承载力），发现非线性方法更适用于高非线性孤波工况。

　　本研究旨在探讨孤立波对淹没式刚性屏障所施加的水动力载荷，并评估使用半经验公式（如Morison公式和横向公式）是否能够有效地表示这些载荷。在海洋工程领域，Morison公式和横向公式已被广泛用于计算水平和垂直方向上的水动力载荷，尤其是在处理规则波和不规则波的情况下。这些公式通常适用于那些对自由水面演变影响较小的淹没结构，例如垂直圆柱体和水平圆柱体。然而，孤立波作为一种具有显著质量输运特性的冲击波，其与结构物的相互作用机制与常规波有所不同，因此需要重新评估这些半经验公式的适用性。

孤立波在海洋工程研究中有着广泛的应用，尤其是在模拟海啸等突发性水体运动时。这种波型因其简单且清晰的结构，成为研究复杂水动力现象的重要工具。许多学者通过实验和数值模拟，研究了孤立波与不同结构的相互作用，包括孤立波对结构物的透射、反射和能量耗散特性。此外，一些研究关注了结构物周围复杂的流场变化，如波浪破碎和涡旋形成等现象。然而，与这些现象的研究相比，对水动力载荷的分析相对较少，尤其是在非线性波形下的载荷变化方面。

在本研究中，我们选择了具有相对高度（a/d）为0.5、0.7和0.9的正方形和矩形淹没式刚性屏障作为研究对象，其中a表示屏障的高度，d表示水深。通过使用Morison公式和横向公式，我们计算了这些屏障在孤立波作用下的水平和垂直方向上的水动力载荷。为了确保计算结果的准确性，我们特别关注了对水动力载荷系数的正确校准，以减少实际观测值与计算值之间的差异。

在计算过程中，我们采用了多种时间域方法来确定水动力载荷系数，包括普通最小二乘法（OLS）、加权最小二乘法（WLS）、Bearman方法、Boccotti方法和最大相关性方法。这些方法在不同的研究中被用于校准Morison公式和横向公式，以提高其在非线性波形下的适用性。通过这些方法，我们能够更精确地评估水动力载荷系数，并进一步分析其在不同波浪非线性参数下的变化规律。

本研究的实验部分在意大利卡拉布里亚大学“大模型水力学实验室”（GMI）的波浪渠道中进行。该波浪渠道具有41米的长度、1米的宽度和1.2米的深度，能够生成各种类型的水波。实验过程中，我们利用波浪测量仪记录了波浪的表面高度和运动特性，同时使用压力传感器测量了屏障表面的水平和垂直方向上的水动力载荷。通过这些实验数据，我们能够更准确地评估水动力载荷的特性，并进一步验证半经验公式的适用性。

研究结果表明，水平方向上的水动力载荷在波浪非线性参数（即波浪高度与水深的比值）增加时表现出显著的变化。特别是在波浪高度较高的情况下，水平载荷的峰值更大，且正向峰值通常大于负向峰值。此外，垂直方向上的水动力载荷在某些情况下对屏障的稳定性具有重要影响，尤其是在波浪作用下，最大水平载荷与对应的垂直载荷组合可能成为影响屏障安全性的关键因素。

为了进一步验证这些发现，我们对屏障的稳定性进行了分析。通过结合实验数据和半经验公式计算出的载荷值，我们评估了屏障在水平和垂直方向上的滑动和倾覆风险，以及基础的承载能力。研究结果表明，垂直载荷在某些情况下对屏障的稳定性有显著影响，因此在未来的工程设计中，应系统地考虑垂直载荷的作用。

本研究的结果不仅有助于理解孤立波对淹没式结构的影响，还为工程实践中使用半经验公式计算水动力载荷提供了新的见解。通过实验和数值模拟的结合，我们能够更全面地评估水动力载荷的特性，并为实际工程设计提供可靠的依据。此外，研究还强调了在处理孤立波作用下的结构稳定性时，应综合考虑水平和垂直方向上的载荷，以确保结构的安全性和可靠性。

总之，本研究通过对孤立波与淹没式刚性屏障相互作用的深入分析，揭示了水动力载荷的复杂性及其在不同波浪条件下的变化规律。研究结果表明，使用Morison公式和横向公式计算水动力载荷在某些情况下是可行的，但在处理孤立波时，仍需对公式进行适当的校准和调整，以提高其在非线性波形下的适用性。此外，研究还强调了在实际工程设计中，应系统地考虑垂直载荷的作用，以确保结构在突发性水体运动下的稳定性。这些发现对于提高海洋工程结构的安全性和可靠性具有重要意义，并为未来的研究提供了新的方向和思路。