实验和数值研究聚焦波作用下，浸没在水中的水平圆柱体在自由表面附近所受的流体动力作用

《Ocean Engineering》：Experimental and numerical investigation of hydrodynamic forces on a submerged horizontal cylinder near the free surface under focused waves

极端波浪下近自由面水平圆柱体的水动力响应研究，通过实验与数值模拟分析水深、波频等因素对非对称载荷及低频力的影响，揭示流分离和冲击效应的作用，提出改进的Morison方程并验证其有效性，为浮桥和海底管道设计提供依据。

　　在海洋工程领域，极端波浪对海上结构物的威胁一直备受关注。尤其是在近水面的结构设计中，如浮式隧道、海底管道和悬索桥基础等，其受到的水动力作用是一个关键的研究方向。然而，尽管已有大量关于波浪与结构相互作用的研究，对于近水面结构物在极端波浪作用下的水动力特性，特别是对浸没水平圆柱体的受力分析，仍存在一定的不足。因此，本研究通过结合物理模型实验和数值模拟的方法，系统地探讨了在聚焦波浪作用下，近水面浸没水平圆柱体所受到的波浪力在空间和时间上的分布规律。研究不仅揭示了结构荷载的不对称性及其变化模式，还通过高时空分辨率的表面压力分布数据，深入分析了局部流动分离和冲击效应对波浪力响应的影响。

本研究的实验设计依托于哈尔滨工程大学的海岸工程实验室，采用了一个长度为30米、高度为1米、宽度为0.8米的波浪水槽。水槽左侧配备了由液压伺服系统驱动的活塞式波浪发生器，能够根据控制软件生成多种类型的波浪。水槽另一端则设有波浪吸收系统，由多层倾斜穿孔板构成，用于减少波浪反射，确保实验的准确性。在实验过程中，研究团队利用12个压力传感器采集表面压力数据，从而获得高精度的波浪力时空分布信息。这些数据不仅用于验证理论模型，还为理解波浪力的动态变化提供了重要依据。

实验中，研究团队特别关注了不同波浪条件对结构荷载的影响。例如，波浪的水深、峰值频率、有效波高以及圆柱体的半径等关键参数被纳入分析范围。研究发现，随着水深的增加，水平和垂直方向的波浪力都会相应减少，而浅水深度则会增强结构的荷载不对称性。同时，波浪的峰值频率和有效波高对波浪力的分布也起到了决定性作用。当波浪高度增加时，结构受到的波浪力显著增强，而波浪的周期性则对波浪力的持续时间产生了影响。此外，圆柱体的半径也对波浪力的分布特性有明显作用，较小的半径会导致波浪力的局部集中，而较大的半径则会分散波浪力的分布。

在实验过程中，研究团队还特别关注了波浪的聚焦效应。聚焦波浪是一种特殊的波浪形式，其波形在传播过程中会发生聚焦，从而形成更高的波浪能量。这种波浪形式对结构物的影响更为显著，尤其是在浅水区域，波浪的聚焦效应会增强低频波浪力的作用，导致结构物在低频段承受更大的荷载。研究发现，这种低频荷载在结构安全设计中具有重要作用，因为其可能引发结构的共振效应，进而导致结构破坏。因此，理解聚焦波浪对结构物的影响，对于提高结构物在极端波浪环境下的安全性至关重要。

为了更深入地理解波浪力的分布规律，研究团队还引入了改进的莫里森方程（Morison equation）进行波浪力预测。莫里森方程是一种经典的波浪力计算方法，主要用于小尺度结构物的波浪力估算。然而，随着研究的深入，学者们发现该方程在预测大尺度结构物的波浪力时存在一定的局限性，特别是在非线性波浪力的预测方面。因此，研究团队对莫里森方程进行了改进，以更好地适应聚焦波浪条件下的波浪力预测需求。改进后的莫里森方程不仅考虑了波浪的惯性力和拖曳力，还引入了冲击力的计算，从而提高了模型的精度和适用性。

在数值模拟方面，研究团队采用了一种基于OpenFOAM工具箱的二维数值波浪水槽，结合waves2Foam模块进行计算。数值模型的控制方程为不可压缩雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方程，采用RNG k-ε湍流模型进行湍流模拟，并使用体积分数（VOF）方法追踪自由表面。这些方法在水动力模拟领域已经得到了广泛应用，能够有效捕捉波浪与结构物之间的复杂相互作用。通过数值模拟，研究团队能够进一步验证实验结果，并深入分析低频波浪力的形成机制。数值模拟结果显示，波浪力在低频段的分布与结构物的运动轨迹密切相关，而运动轨迹的主频则主要受到波浪周期和结构物水深的影响。

研究团队还发现，波浪的聚焦效应对结构物的荷载分布具有显著影响。在聚焦波浪作用下，结构物的荷载不仅在空间上呈现不对称性，而且在时间上表现出强烈的波动性。这种波动性与波浪的传播路径和聚焦区域密切相关。例如，当波浪在传播过程中发生聚焦时，结构物所受到的波浪力会显著增强，特别是在低频段。这种增强效应可能导致结构物在低频段承受更大的荷载，进而影响结构物的稳定性。因此，研究团队特别关注了聚焦波浪条件下低频荷载的分布规律，并通过实验和数值模拟相结合的方法，深入探讨了其形成机制。

在实验和数值模拟的基础上，研究团队还对莫里森方程的适用性进行了评估。研究发现，改进后的莫里森方程在聚焦波浪条件下的预测能力显著优于传统模型。特别是在浅水区域，改进后的模型能够更准确地预测结构物在低频段所承受的荷载。同时，研究团队还发现，莫里森方程在预测冲击力时存在一定的误差，因此需要结合其他方法进行修正。通过实验和数值模拟的对比分析，研究团队能够更全面地理解波浪力的分布规律，并为改进莫里森方程提供理论依据。

此外，研究团队还探讨了波浪的聚焦效应对结构物荷载的影响。聚焦波浪是一种特殊的波浪形式，其波浪能量在传播过程中会逐渐集中，从而形成更高的波浪力。这种波浪形式对结构物的影响更为显著，尤其是在近水面区域，聚焦波浪可能导致结构物在低频段承受更大的荷载。研究发现，这种低频荷载的增强效应与结构物的水深密切相关。在浅水区域，结构物的低频荷载会显著增加，而在深水区域，这种效应则相对较弱。因此，理解聚焦波浪对结构物的影响，对于优化结构物在极端波浪环境下的设计至关重要。

在实验过程中，研究团队还特别关注了波浪的非线性效应。非线性波浪是一种复杂的波浪形式，其波浪力的分布与线性波浪存在显著差异。研究发现，非线性波浪对结构物的影响主要体现在波浪力的高阶谐波分量上。这些高阶谐波分量在实验和数值模拟中均得到了验证，并被发现对结构物的荷载分布具有重要影响。因此，研究团队在分析波浪力时，不仅考虑了线性波浪的作用，还深入探讨了非线性波浪对结构物的影响。

本研究的成果不仅为近水面结构物的水动力响应分析提供了重要的实验支持，也为结构设计提供了理论依据。研究团队通过实验和数值模拟相结合的方法，揭示了波浪力在不同条件下的分布规律，并为改进莫里 Morrison方程提供了参考。这些研究成果对于提高结构物在极端波浪环境下的安全性具有重要意义，尤其是在浮式隧道、海底管道和悬索桥等结构的设计中。此外，研究团队还发现，波浪的聚焦效应对结构物的荷载分布具有显著影响，特别是在浅水区域，这种效应可能导致结构物在低频段承受更大的荷载，从而影响结构物的稳定性。

综上所述，本研究通过系统地分析波浪力在不同条件下的分布规律，揭示了极端波浪对近水面结构物的影响机制。研究不仅验证了实验和数值模拟的结果，还为改进莫里森方程提供了理论依据。这些研究成果对于优化结构物在极端波浪环境下的设计具有重要意义，特别是在浮式隧道、海底管道和悬索桥等结构的设计中。此外，研究团队还发现，波浪的聚焦效应对结构物的荷载分布具有显著影响，特别是在浅水区域，这种效应可能导致结构物在低频段承受更大的荷载，从而影响结构物的稳定性。因此，理解波浪的聚焦效应和非线性效应，对于提高结构物在极端波浪环境下的安全性至关重要。