摘要
内波是一种频发于分层水体中的海洋水动力学现象，由于其波幅大、伴生剪切流动强，是海洋工程的重要威胁之一。内孤立波作为海洋内波的主要形式，表现为强非线性过程。我国南海为内孤立波多发区，黄、渤海也发现过大尺度内孤立波的存在。为充分评估内孤立波的威胁，保障浮式结构物的作业安全，因此明确内孤立波与浮式结构物相互作用机理、探究浮式结构物在内孤立波作用下的响应机制具有重要的意义。 本文依托计算流体力学软件Fluent建立了实验室尺度的分层流体数值水槽，并利用重力塌陷法实现了内孤立波的模拟生成。为保证数值模型的可靠性，将数值造波结果与物理模型实验进行了对比验证。基于建立起的二维数值水槽，分别研究了内孤立波与典型固定浮式结构物及自由运动浮式结构物的相互作用过程。 针对矩形、弓形以及舭部弧形矩形三种典型固定浮式结构物，研究了不同波幅内孤立波经过结构物前后的波浪参数、流场形式以及结构物受力的变化特性。结果表明：内孤立波经过结构物后会发生不同程度的波幅衰减、波形变形。在传播至结构物前和离开结构物后分别会在结构物的前部和后部形成较大涡量值，流场也会发生相对的变化，特别是大波幅时的流场结构会影响结构物的受力过程。 针对自由运动的浮式结构物，以我国第一艘完全自主设计并建造的浮式生产储油轮(FPSO)“海洋石油117”号的横剖面结构作为缩尺比模型，采用动网格技术，分析了矩形和舭部弧形矩形两种结构在内孤立波作用下的响应机理。结果表明：矩形横剖面结构在横向遭遇内孤立波的情况下，横荡运动变化较大，垂荡运动变化较小。舭部是否为弧形可影响矩形横剖面的横摇机制和速度场的变化过程。 本文研究明确了内孤立波在经过浮式结构物前后的演化特征，对预报内孤立波作用下浮式结构物的运动响应规律具有重要的理论和工程意义。
NETL