摘要：针对内孤立波在传播过程中导致海面海水剧烈辐聚和突发性强流,会对海上油气平台、输油管道等海洋结构物造成严重威胁的问题,本文基于高质量的实测数据,通过内波动力模态分解以及Morison方程,研究了内孤立波对小直径圆形桩柱的作用力,包括总作用力、作用力随时间的变化、作用力沿水深的分布以及作用力分量的大小。研究结果表明,桩柱所受的总作用力以第1模态为主导;波谷达到时,对桩柱的作用力会达到最大值,并且作用力的大小都呈现出为先增大后减小的变化趋势;上、下2层流体的拖曳力方向相反,惯性力的方向也是相反的,而在同一层流体中,拖曳力和惯性力的方向也是相反的;在内孤立波经过时,Morison方程计算得到的惯性力没有明显的变化趋势,惯性力相比于拖曳力,惯性力量值小,对总作用力的影响也很小,基本可以忽略不计。本文的研究内容为海洋油气钻井平台的设计提供了参考。

摘要：内孤立波常发生于海洋密度跃层,因其峰高谷深、携带能量巨大,在传播过程中会导致跃层上下的海水流动呈现剪切状态,并引起突发性的强流.潜体在水下悬停时极有可能会遭遇内孤立波,由于内孤立波的流场特性,置于跃层上下的悬浮潜体所产生运动响应和水动力载荷变化不尽相同,甚者会出现掉深现象.为探究潜深对波体耦合作用的影响,基于不可压缩N-S方程和mKdV理论,采用速度入口造波,结合重叠网格技术和流固耦合方法,建立了分层流中内孤立波耦合水下潜体多自由度运动的数值模型,通过该模型分析了不同潜深下悬浮潜体的运动响应和载荷特性.结果表明:在内孤立波作用下,位于密度跃层上方和跃层中的潜体顺着波的前进方向运动,先下沉后抬升,位于跃层下方的潜体则会逆流持续下沉;潜体与波面的垂向距离越小,对其纵荡、垂荡和速度的影响越显著,而位于密度跃层中的潜体在分界面处沿着波形运动,其运动响应和载荷变化受影响较小;潜体在跃层上、下流体中所受水平力的方向相反,水平力峰值小于垂向力峰值,且位于跃层下方的潜体一直受到低头力矩,最终导致掉深.

摘要：内孤立波在海洋中广泛存在,其在生成、传播演化以及耗散过程中对海洋环境、地形地貌和海洋结构物等有着深远的影响.针对内孤立波理论模型研究,已有理论模型包括单向传播Korteweg-de Vries(KdV)类方程和双向传播Miyata-Choi-Camassa(MCC)类方程,然而,两类方程均未能有效地模拟大振幅内孤立波的传播演化过程.本文采用渐近匹配方法,对原始单向传播内孤立波方程的系数进行修正,建立了改进的单向传播内孤立波理论模型.在此基础上,通过比较分析改进了前后内孤立波的理论模型,结果表明,改进后的理论模型稳态内孤立波的理论极限振幅能达到MCC方程稳态内孤立波的理论极限振幅.结合系列实验结果,通过定量分析稳态内孤立波有效波长、波速和波形与MCC方程稳态内孤立波理论解的吻合度,进一步分析了改进后的内孤立波理论模型在表征定态内孤立波特性方面的适用性.此外,针对平坦地形条件下大振幅内孤立波非定态传播演化过程,探究各类单向传播孤立波理论模型的稳定性.研究表明改进后高阶单向传播内孤立波理论模型可用于表征大振幅内孤立波传播演化特性,为海洋结构物水动力学研究提供理论依据.

摘要：内孤立波是一种发生在水面以下的在世界各个海域广泛存在的大幅波浪,其剧烈的波面起伏所携带的巨大能量对以海洋立管为代表的海洋结构物产生严重威胁,分析其传播演化过程的流场特征及立管在内孤立波作用下的动力响应规律对于海洋立管的设计具有重要意义.本文基于分层流体的非线性势流理论,采用高效率的多域边界单元法,建立了内孤立波流场分析计算的数值模型,可以实时获得内孤立波的流场特征.根据获得的流场信息,采用莫里森方程计算内孤立波对海洋立管作用的载荷分布.将内孤立波流场非线性势流计算模型与动力学有限元模型结合来求解内孤立波作用下海洋立管的动力响应特征,讨论了内孤立波参数、顶张力大小以及内部流体密度对立管动力响应的影响.发现随着内孤立波波幅的增大,海洋立管的流向位移和应力明显增大.由于上层流体速度明显大于下层,且在所研究问题中拖曳力远大于惯性力,因此管道顺流向的最大位移发生在上层区域.顶张力通过改变几何刚度阵的值进而对立管的响应产生明显影响.对于弱约束立管,内部流体的密度对管道的流向位移影响较小.

摘要：在2层流体基本假设下,通过实验分别研究不同波浪入射角下,作用在半潜式平台立柱群和沉箱群上的内孤立波载荷特性。实验结果表明:在任意迎流角下,作用在立柱和沉箱各部分的载荷峰值均随波幅增大而线性增大,并且波的传播方向对力的峰值有显著影响。在相同波幅、相同分层比下,当来波方向与平台中纵剖面不平行时,沉箱群水平载荷峰值在迎流角为90°时达到最大;当来波方向与平台中纵剖面平行时,水平载荷峰值最小。同时,波的传播方向对沉箱群垂向力以及立柱群水平载荷的峰值影响可以忽略不计。

摘要：我国南海海域海洋环境条件复杂且海水密度垂直层化现象显著,内孤立波活动频繁,因内孤立波而造成海洋开采平台破坏的案例屡见不鲜。依托水动力计算软件AQWA二次开发功能,采用Kdv方程,借助Fortran语言将深水半潜式平台立柱、浮箱、系泊系统3部分的内孤立波作用力叠加到外力项中,联合求解半潜式平台的6自由度动力响应特性。数值模拟结果表明,在内孤立波作用下,半潜式平台的运动及系泊线张力均受到了显著的影响。在不考虑系泊系统受内孤立波作用时,平台在纵荡和横荡方向上产生较大的漂移运动,最大偏移量较无内孤立波情况下增加了8倍;系泊线最大张力提高了17%,增加了系泊线断裂的风险。在考虑系泊系统受内孤立波作用时,平台的纵荡和横荡运动响应在原响应基础上继续提高15%,但是系泊线张力变化不大。内孤立波不同浪向下的平台纵荡和横荡响应相差也很明显;系泊系统合力在不同方向上的大小决定了平台不同方向上运动的大小。

摘要：随着近岸海洋的开发,海洋石油钻井平台底部的柱状支撑以及海洋中石油管线等水下结构物的安全问题受到的关注日益增多。而内孤立波对水下结构物的安全有着不可忽视的影响,这就决定了内孤立波对柱体受力的研究在工程实践中具有重要意义。国内外就内孤立波对柱体作用力的物理试验研究较少,而在分层流环境下圆柱和方柱受力规律的对比研究更鲜有报道。在大型重力式分层流试验水槽中,借助一套新型且专用于分层流环境下的内孤立波造波及水动力测力系统,进行了内孤立波环境下柱体受力规律的试验研究。对比分析了不同内孤立波波幅对圆柱和方柱受力的作用规律。研究表明,在分层流环境下,随着内孤立波波幅的增大,圆柱和方柱所受的水平作用力均增大;相同波幅情况下,方柱相较于圆柱会受到更大的水平力。研究成果可为分层流环境中柱体设计及安全评价提供科学依据。

摘要：内孤立波具有较大的振幅与较强的垂向剪切,能对海洋工程设施产生极大的破坏作用。本文设计实验研究了内孤立波与直立小直径桩柱的相互作用,采用粒子图像速度测量法(PIV)测量内孤立波的流速场,并采用自行设计的测力天平测量桩柱受力,测量分析了内孤立波对小直径直立桩柱产生作用力的实验值,与Morison公式计算的理论值比较。实验结果表明,第一模态内孤立波的流速方向以及作用力在桩柱的上下部分方向相反,产生很强的速度切变和扭力,对小直径直立桩柱造成破坏。通过与Morison公式计算的理论值比较,发现实验值与理论值的大小以及分布规律基本相同。

摘要：基于两层流体中内孤立波的mKdV理论,采用考虑内流的弹性杆动力学方程,结合改进的Morison公式,以及考虑涡泄频率随水深变化的一个简化涡激载荷计算模型,研究了两层流体中内孤立波与非均匀海流共同作用下深海顶张立管的非线性动力响应问题。结果表明,在海流非均匀性导致的多模态涡激力作用下,深海顶张立管会发生大振幅多模态横向组合涡激共振的现象。在深海立管发生多模态组合共振的过程中,当有内孤立波作用时,不仅会使立管横向组合共振幅值显著增大,同时还会使立管在顺流向产生突发性的大变形响应。特别地,当内孤立波传播方向与海流方向一致时,立管顺流向及横向横截面弯矩与应力都会出现显著增大现象。因此,在深海立管的设计与应用中,内孤立波与海流的耦合效应是不可忽视的。

摘要：本文使用重力塌陷造波法,在内波实验室三维水槽内造波,并借助染色技术、水体灰度值反演以及高速图像记录系统来展开相关实验。我们分别进行了不同水深下内孤立波在竖直挡板上的反射和不同振幅下波-波相互作用实验,每种实验分别设计了三组。通过反演计算发现:内孤立波反射实验中,马赫峰振幅并没有出现所谓的"四倍放大效应",水深深度的变化会影响马赫峰的出现,浅水阻碍或抑制了马赫峰的出现;波-波相互作用实验中,振幅差不同会影响两列波相互作用的特性,振幅差越大,马赫峰传播方向偏斜角度越大,相互作用角的临界值越大。