带多孔弧形抑制结构的圆角方柱波浪爬高与受力特性实验研究

《Marine Structures》：Experimental investigation on wave run-up and force characteristics of a rounded-square column with porous arc-shaped suppression structures

　　

•使用归一化最大爬高（ηmax/Amax）、水平越岸长度（Lout/D）和爬升面积（Ar/D2）对波浪爬升进行了量化分析。
•多孔结构减缓了波浪爬升，在水平扩散和爬升面积方面的减小尤为显著。
•均一孔隙率设计表现出相对稳定的爬升缓解性能。
•局部力响应比整体力对孔隙率布置更敏感。
•研究发现爬升缓解与局部荷载重分布之间存在权衡关系。

引言
在极端波况下，海上平台立柱周围可能发生显著的波浪爬升，从而可能引起飞溅、局部拍击和越浪，影响平台结构安全和运营性能[[1], [2], [3]]。该过程会减小平台的有效气隙并加剧局部水动力载荷。因此，准确表征立柱周围的波浪爬升并开发有效的缓解策略，对于确保海上结构的安全性和可运营性至关重要。

通过理论分析、物理模型试验和数值模拟，已有大量关于立柱周围波浪爬升问题的研究。Kriebel[4]基于二阶非线性理论分析了竖直圆柱周围的波浪爬升响应，并表明非线性效应可显著增加圆柱正面附近的最大爬高。Cong等[5]采用高阶边界元方法研究了双向入射波作用下近壁圆柱的二阶波浪爬升响应。结果表明，竖直墙体的存在显著改变了圆柱周围的波浪衍射过程，并增强了墙体与圆柱之间区域的二阶自由面放大效应。Bonakdar等[6]对非破碎规则波下的细长桩进行了小型水槽试验，识别了相对波高、相对水深和桩长细比对波浪爬升的控制作用，并提出了适用于多种波况的实证预测公式。Ding等[7]通过试验研究了截顶矩形立柱的波浪力和爬升特性，揭示了波浪参数和入射角对波浪衍射的影响。Wang等[8]利用OpenFOAM模拟研究了垂荡圆柱的波浪爬升和载荷，发现爬高受共振频率和相位差影响显著。Bai等[9]结合试验和数值模拟研究了船型半潜平台的运动与系泊载荷，并评估了网片组件对其水动力响应的影响。

近年来，非接触式图像测量技术在波浪爬升研究中得到了越来越多的应用。Grue和Osyka[10]使用高速成像技术量化了强波事件期间竖直圆柱周围的爬升形态。Li等[11]进一步利用热立体成像提高了圆形和方形圆柱附近爬升测量的空间精度。这些研究为理解立柱爬升机理和开发实证预测模型提供了重要基础。Wang等[12]对受孤立波作用的截顶圆柱进行了模型试验，并利用图像采集技术分析了波浪爬升和载荷响应过程。他们发现，在大波幅条件下，剧烈的自由面运动可能引起二次爬升以及内联力和垂向力时程曲线中的二次峰值。

在极端海况研究中，聚焦波通常被用于重现具有短时能量集中的瞬态强非线性波浪事件。与规则波和随机波相比，聚焦波可在指定位置和时间产生大局部波峰，使其特别适合研究极端波况下的爬升、冲击和峰值载荷响应。Li等[13,14]研究了多方向聚焦波作用下竖直圆柱的波浪爬升和波浪力，发现波幅、频带宽度及方向扩散度显著影响圆柱周围的自由面分布和载荷响应。Fang等[15]研究了聚焦波与固定直立方形立柱的相互作用，指出入射波峰与立柱前方局部水堆之间的非线性相互作用可诱发剧烈向上的水舌和显著的局部爬升。Zhang等[16]对聚焦波下固定立柱的波浪爬升和压力分布进行了三维数值模拟，表明波浪聚焦机制可显著改变最大爬高和局部荷载。最近，Bai等[17]系统研究了多方向聚焦波下浮动渔笼的运动和系泊载荷，表明此类极端波浪事件可诱发显著的瞬态结构响应、不对称系泊载荷、系泊过载以及网容积的大幅减小。Tang等[18]进一步将波浪爬升的演化与二次载荷周期联系起来，指出自由面演化与力时程响应之间存在强耦合关系。

为减少立柱正面沿线的集中爬升，已提出了各种附加式波浪爬升抑制结构。Fang等[19]在固定方形立柱表面安装了多层多孔挡板结构。试验结果表明，此类结构可有效阻挡上冲水流并改善气隙性能，抑制效果与挡板高度、层数和布置方式密切相关。Liu等[20]提出了一种用于圆角方形立柱的倾斜挡板结构，发现不同倾斜角显著影响上冲流的偏转轨迹、飞溅形态和局部波浪载荷。随后，Liu等[21]将倾斜挡板应用于半潜平台立柱，证明该结构可改善极端波下的气隙性能。针对圆柱周围的越浪问题，Esteban等[22,23]结合物理试验和数值模拟研究了规则波下固定竖直面圆柱的越浪问题，并比较了不同几何缓解结构的防护效果，包括鼻形结构、防波墙和回浪墙。Huang等[24]系统综述了多孔和开槽海岸结构的水动力性能及波浪载荷，指出多孔结构可通过水流、相位差和局部能量耗散来改变波浪反射、透射和力响应。Mackay等[25]发现外部多孔圆柱可增加阻尼，但可能同时放大作用于组合结构的波浪激励力。Le等[26]证明孔隙率及其空间布置对多孔结构的波浪透射、反射和能量耗散具有显著影响。总体而言，以往研究已证实附加结构和多孔布置在控制波浪爬升或越浪方面的潜力。然而，针对多孔弧形波浪爬升抑制结构这一新概念的系统研究仍然有限。

本研究通过波浪水槽试验，研究了多孔弧形波浪爬升抑制结构对圆角方形立柱在聚焦波作用下的爬升响应和水动力载荷特性的影响。共考虑了两种类型的弧形结构，并通过改变弧形面与水平面的孔隙率组合形成不同的孔隙率布置，包括均一孔隙率、适度差异化孔隙率和仅弧形面开孔三种配置。在聚焦波作用下，采用高速图像处理方法提取归一化最大爬高（ηmax/Amax）、归一化水平越岸长度（Lout/D）和归一化爬升面积（Ar/D2）。同时，同步测量立柱和抑制结构上的整体力和局部力。系统分析了孔隙率布置对立柱沿线集中壁附波浪爬升、爬升水的空间分布以及整体力和局部力响应的影响。通过联合考察立柱-结构系统的整体荷载和抑制结构上的局部荷载，特别关注了整体荷载变化有限而局部荷载响应更为显著并存的现象，以及这种对比如何与波浪爬升减小相关联。该分析阐明了由开孔引起的大尺度爬升缓解与局部荷载放大之间的物理权衡关系。

部分章节
试验装置与结构布置
试验在上海交通大学的波浪水槽中进行。水槽有效工作段长度为14.0 m，宽度为1.0 m，静水位水深为0.85 m。圆角方形立柱模型通过刚性支撑框架固定在水槽中，其正面位于造波器下游7.0 m处。试验布置示意图见图1，立柱模型的主要几何尺寸见表1。

总体波浪爬升形态与流态特征
图8对比了不同聚焦波工况下最大爬高瞬时圆角方形立柱的波浪爬升形态，相应的归一化特征参数汇总于表5。可以看出，不同聚焦波参数组合不仅对最大波浪爬高有显著影响，而且显著改变了近壁流态和飞溅发展特征。在FW1、FW2和FW3工况下——

结论
本研究聚焦于多孔弧形波浪爬升抑制结构对圆角方形立柱在聚焦波作用下爬升响应和力特性的影响。通过改变弧形面和水平面的孔隙率组合形成不同的孔隙率布置。使用ηmax/Amax、Lout/D和Ar/D2对爬升形态进行量化，同时测量立柱-结构系统的整体力和抑制结构上的局部水动力荷载。

CRediT作者贡献声明
Meng Shan：撰写—初稿、调查研究、数据整理、概念设计。Longfei Xiao：撰写—审阅与编辑、监督指导、研究方法、经费申请。Mingyue Liu：验证、监督指导、研究方法。Lin Yuan：撰写—初稿、调查研究、数据整理。Wencheng Wu：调查研究、数据整理。

利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢
本研究得到国家自然科学基金（批准号52031006）和上海交通大学研发项目（批准号SSZX22002）的支持。

Meng Shan | Longfei Xiao | Mingyue Liu | Lin Yuan | Wencheng Wu