波浪作用下光滑及藤壶覆盖水平圆柱体在风浪与涌浪叠加海况下的水动力特性研究

《Coastal Engineering》：Measurements of wave loads on smooth and rough horizontal cylinders under bimodal sea states

　　

摘要：研究人员在意大利雷焦卡拉布里亚(Reggio Calabria)近岸海域开展现场(field experiment)试验，采用两个并排布置的浸没水平圆柱体(直径D=0.20 m、长L=1.00 m)——分别为光滑表面及模拟海洋生物附着(藤壶barnacle)粗糙表面——同步采集表面压力与水面波面高程数据，选取54组双峰谱(bimodal spectrum, 即风浪叠加约30%能量占比涌浪cross?sea state)与107组单峰谱(unimodal sea state, 纯风浪)进行对比。通过Boccotti方差匹配法标定Morison(Morison equation)及横向力(transverse force formulation)半经验模型中的拖曳系数CD、水平惯性系数CMH、升力系数CL及竖向惯性系数CMV，并基于窄带参数ψ* (narrow?bandedness parameter)与零阶谱矩m0划分风浪与涌浪贡献。结果表明：当Keulegan–Carpenter数KC＞~6时，交叉海况较纯风浪使光滑与粗糙圆柱的水平及竖向力峰值分别平均增大15.6%|28.0%(水平正向)与18.6%|21.7%(竖向正向)，且粗糙圆柱绕流场放大效应更显著；归一化波压分布与力系数均随KC数变化，双峰海况下CD、CMH、CL、CMV系统性高于单峰海况，粗糙表面进一步抬升各系数约3%~9%；频域功率谱(zero?order spectral moment m0)验证显示Morison模型对光滑圆柱水平力谱预测误差＜10%，但对粗糙圆柱竖向力谱高估明显(达64.5%)。研究表明在海洋工程设计中须同时计入交叉海况与海洋生物污损(marine growth)对水动力荷载的放大作用。

《Coastal Engineering》刊载的这篇论文针对现有海洋工程水动力计算中常将复杂海况简化为单一风浪(unimodal sea state)、忽略涌浪(swell)成分及海洋生物污损(marine growth, 即表面粗糙度)共同影响的问题，开展现场试验研究风浪叠加涌浪(cross?sea / bimodal sea state)及圆柱表面粗糙度对浸没水平圆柱体水动力荷载、波压分布及Morison型半经验模型参数的影响，以弥补现行规范偏于不安全的风险。研究人员通过并排布置光滑与模拟藤壶(barnacle)粗糙的两根水平圆柱体，在真实海域选取海况匹配的54组双峰与107组单峰工况，测定波压与波面后经线性波理论反演流速场并标定力系数，最终量化了双峰海况与粗糙度各自及耦合对荷载与力系数的提升幅度，证实二者不可忽略。

主要技术方法：

研究人员于意大利Strait of Messina雷焦卡拉布里亚沿岸搭建现场试验平台，布置两根平行浸没水平圆柱体(直径D=0.20 m、长L=1.00 m)，分别为光滑表面及粘贴3D打印模拟藤壶(平均高度k=3 mm、直径d=5 mm、覆盖率约40%)的粗糙表面；圆柱周向均布8枚压电式压力传感器获取波压，水面设两台超声波液位计记录波面高程η(t)；海况筛选依据窄带参数ψ=|< />)>/ψ(0)|(ψ为η的自协方差autocovariance，T*为其第一个零点)及零阶谱矩m₀拆分风浪(H_sw, T_pw)与涌浪(H_ss, T_ps)贡献，仅保留涌浪能量占m₀约26%~34%(代表值30%)的双峰(bimodal)海况；通过线性波理论(linear wave theory)由波面推求柱心处自由来流水平速度v_y(t)、竖向速度v_z(t)及加速度a_y(t)、a_z(t)；依Boccotti法令实测与半解析力序列方差相等且拖曳—惯性分量权重一致，反算C_D、C_MH、C_L、C_MV；采用Morison方程(Morison equation)与横向力公式(transverse force formulation)合成水平F_H(t)=F_D(t)+F_HI(t)与竖向F_V(t)=F_L(t)+F_VI(t)，并以峰值相对偏差(ΔF/F_w)及零阶谱矩百分比误差(Percentage Error, PE)评估模型精度。

研究结果

3. The sea states classification and selection（海况分类与选取）：

研究人员依据波面自协方差推导的窄带参数ψ*区分海况宽窄谱特征，按两波族间能量谷频率分割频谱并计算风浪与涌浪各自的零阶谱矩m_0w、m_0s，进而得有效波高H_s=4√m₀、H_sw=4√m_0w、H_ss=4√m_0s及对应峰周期T_pw、T_ps；方向谱进一步给出风浪平均传播方向θ_w与涌浪θ_s。经筛选保留涌浪能量占比26%~34%(典型30%)且KC数与纯风浪工况匹配的54组双峰海况及107组单峰海况，保证可比性。

5.1. Wave pressures（波压分布）：

研究人员将各测点压力时间序列按自身标准差归一化(Δp/σ_Δp)，提取水平力正/负峰值及竖向力正/负峰值对应时刻的波压值。结果显示双峰海况下光滑圆柱受载侧归一化波压较单峰海况平均增大约64%(水平正向)与44%(水平负向)，粗糙圆柱增幅略低(约34%与44%)，但背浪侧粗糙圆柱受双峰海况影响更明显；竖向力峰值对应波压双峰海况亦普遍高于单峰(约4.4%~13.4%)。表明交叉海况显著放大柱体表面动水压力幅值，粗糙表面改变压力沿周向分布形态。

5.2. Wave loads（水动力荷载）：

研究人员对比归一化水平F_H(t)与竖向F_V(t)时程及峰值随KC数的变化。KC＜~6(惯性主导区)时双峰与单峰海况荷载差异微小；KC＞~6(拖曳主导过渡区)时双峰海况使光滑圆柱水平与竖向力峰值平均增大15.59%，粗糙圆柱增大19.75%~28.0%；粗糙圆柱较光滑圆柱同期荷载提升约7%~15%。证明高KC数下交叉海况与表面粗糙度均显著放大水动力荷载，且二者存在耦合增强效应。

5.3. Force coefficients（水动力力系数）：

研究人员基于Boccotti方差匹配法由实测力与理论运动学场反算C_D、C_MH、C_L、C_MV。各系数随KC数呈先微变后增趋势(KC＞6趋稳或缓升)，双峰海况下各系数系统性高于单峰海况(光滑圆柱C_D、C_MH、C_L、C_MV分别平均高3.1%、3.4%、4.6%、3.4%；粗糙圆柱高6.0%、5.0%、8.7%、7.3%)。低KC数偶尔出现负C_D/C_L系惯性主导区微小相差引起，非物理负值。说明现行Morison模型若直接套用纯风浪标定力系数会低估双峰海况与粗糙表面的真实荷载。

5.4. Spectral analysis（频谱分析）：

研究人员对比实测与Morison/横向力模型预报的一维力功率谱及零阶谱矩m₀。光滑圆柱水平力谱实测与计算吻合良好(PE=8.39%)，竖向力谱PE=12.71%；粗糙圆柱水平力谱轻微高估(PE=18.06%)，竖向力谱显著高估(PE=64.52%)，源于Morison类公式未考虑粗糙度诱导分离涡与三维流动效应。表明经典半经验公式对光滑柱双峰海况水平力频域特征具较好复现能力，但对粗糙柱尤其竖向力存在局限。

讨论与结论翻译：

本研究通过现场试验考察了风浪叠加约30%能量涌浪之双峰海况对光滑及藤壶覆盖(粗糙)浸没水平圆柱体的水动力荷载影响。结果表明：KC数低于约6时交叉海况对波浪荷载影响甚微；KC数大于约6时双峰海况较纯风浪明显增大水平与竖向力峰值，粗糙圆柱体效应更突出。标定的Morison及横向半经验模型水动力系数(C_D、C_MH、C_L、C_MV)在双峰海况下整体高于单峰海况，且粗糙表面进一步增大各系数。频域校验显示半经验方案可较好模拟光滑圆柱水平力谱，但粗糙圆柱尤其竖向力谱存在高估。从工程角度，成果强调设计浸没水平圆柱体结构时必须计入交叉海况与海洋生物污损(marine growth)对水动力荷载的放大作用，波谱形态与表面粗糙度均为关键影响因素。此外，本研究为验证真实海况下三维波—结构相互作用数学模型提供了基准数据集。后续现场试验拟考察不同硬质/软质粗糙度类型与覆盖率、近自由面及近床底布置的影响。