内孤立波对海洋结构物与潜体作用机制综述

林文泽，王 寅，2，傅依达

（1.南昌工程学院 水利与生态工程学院，南昌 330099； 2.江西省水利科学院 防灾减灾与水工程安全研究所，南昌 330029；3.江西省科学技术信息研究所，南昌 330046）

近年来，随着陆地矿产资源被逐渐开采，大家开始把目光转向海洋矿产资源， 不同种类的海洋工程和海底勘探器的数量和工作强度相比之前有了很大提升。而海洋中的开采环境不如陆地稳定， 如海洋内孤立波就可能导致海洋工程或者海底潜器疲劳甚至损坏，影响施工开采工作的安全进行。 海洋内波广泛分布于各大洋和边缘海域，是海洋中的普遍现象。海洋中通常可以形成几百米至上百公里波长范围的内波； 在密度跃层（ 密度分层面）处出现的大型内孤立波的振幅和流场流速可以达到百米量级且超过2 m/s，水下结构物将受到巨大的波浪力。 目前海洋工程建设前都需要针对建筑物对内孤立波的水动力响应做评估， 为减少内波对海洋工程及海下潜器造成过大的破坏， 以防影响结构物运行年限以及海下潜器的运动性能和动力性能，对社会安全和经济带来巨大威胁和损失， 有必要从内波孤立的研究方法及内孤立波的力学特性方面的研究进展开展总结、归纳。

1 内波研究方法相关进展

1.1 物理试验

物理模型试验是探索内孤立波条件下水下结构物和潜器水动力特性的重要手段。 内孤立波物模试验最关键的环节就是造波， 造波方法包括双推板造波法、重力塌陷造波法、摇板式造波法等。 重力塌缩造波法的核心理论是利用不同水层间存在的压力差来导致内孤立波的产生。此方法操作简单，且可以调控振幅和波长[1]，但该方法也存在缺点，如内孤立波的质量将受到挡板抽离快慢的影响[2]；摇板式造波法是将摇板安装在造波区。 通过控制摇板按一定规律绕固定支点摆动，对水体进行扰动，从而诱发内波；双推板造波可以控制所造内波振幅[3]并使其波形稳定， 但内孤立波的产生和传播质量会受到推板速度快慢的影响。相较于重力塌陷法，双推板造波法将导致跃层处严重的混合现象，严重影响造波质量[3]。 相比于摇板造波法，双推板造波法更复杂，摇板式造波法推板力[4]更大。 两者缺陷相似，水体跃层处的混乱现象影响了造波质量。

许多学者在物模试验水槽中对半球体、 立方体薄板、圆柱体、方柱体等结构进行了系统的研究[5-6]，结果表明， 结构的水下动力特性受到流体的密度差和深度比的影响。因此，众多学者选择构建抽板式分层流体水槽[7]来进行内波实验，改方法可对内波进行更细致的观测和研究。抽板可以产生分层流体。将模型放在分层流体水槽中，利用重力塌陷法来制造波[8]是更常见的造波方法。 该方法的原理是利用起波装置上旋转百叶的关闭和重力方形势阱扰动模型纵向轨迹上的往复运动，形成不同宽度的方形势阱，然后瞬间打开阀门开关，使每个方形势阱形成重力塌陷，演化为内孤立波。在实验室内，当孤立波被激发后，可采用电导率探头阵列将探测到的电导率输出为相应电压， 从而记录跃层附近垂直密度分布和入射波幅值。 利用染色液显示技术对不同密度的水体染色， 通过高速摄像机记录内孤立波与海洋结构相互作用的可视化结果， 可以显示海洋结构遇到内孤立波时周围波浪力结构的变化和内波波形波速等信息。

物理试验为诸多学者研究内波特性提供了巨大帮助，但是该方法也存在一些不足。

1）尺寸效应问题。 内波在自然界中于广袤的大海中经历长时间扰动和传播形成， 海洋结构物要有足够的尺寸来保证强度和刚度来抵御大海中各式各样的压力与冲击。但内波试验是在实验室中进行，用于试验的水槽、海洋结构物模型等物件的尺寸都远小于实际，这就导致我们无法完全模拟内波在海洋中的产生与传播， 如何减小尺寸效应和不同水体给试验带来的误差也是研究重点。

2）试验误差问题。 试验设备在记录和监测的同时，都有可能出现误差，在进行试验时要增加试验次数尽可能减少误差，同时造波设备在制造内波的同时会发生振动，将会影响造波的质量，无法达到预期的效果。 探讨更加有效的减振方案也是内波试验的研究方向。

1.2 数值模拟

仿真技术随着计算机技术的发展也愈发成熟。 利用计算机仿真技术可以模拟内孤立波的产生、 传播和耗散过程。 其中，数值模拟造波方法可以分为2 类：一类是仿物理造波法， 是由实验室物理试验造波技术衍生而来；另一类是纯数值造波法[9]。 仿物理实验造波是依据重力塌缩造波法[10]、双推板造波法[11]等物理试验造波方法的基本原理，在数值水槽中定义物理量，模拟内孤立波的产生和传播过程。 纯数值造波法是选择合适的内孤波理论，设置合适的数值水槽边界条件，从而诱发内孤波的产生，如速度入口造波法[12]、质量源造波法[13]。 但内孤立波理论是所有造波方法的基础。

大量学者对内孤立波的数值造波进行研究， 取得了一些关键性的成果。 内孤立波的Kdv 理论最早由Korteweg 和De[14]提出，之后学者们又相继提出了内孤立波的eKdv、mKdv 和MCC[15]理论模型。 在此基础上，黄文昊等[16]通过数模研究给出了这3 种内孤立波理论的适用性条件。 方舟等[13]构造了双推板、速度入口、质量源3 类内孤立波数值造波模型， 得到了高效的内孤立波数值生成方法。 付东明等[17]建立了双推力板内孤立波的数值模拟方法， 并利用其对细长回转体在实尺度海洋分层环境下内孤立波的载荷特性进行分析。 并在此基础上模拟了Subboff 潜艇模型上凸型和下凹型2 种条件下内孤立波与潜艇相互作用的流场演化过程。并将结果与数值模拟结果进行对比，验证了内孤立波载荷数值模拟方法， 给出了潜艇通过内孤立波时水平力、垂直力和力矩的特性，并与非分层均匀流体中的结果进行了比较。结果表明，潜艇通过内孤立波时的受力会在短时间内发生剧烈变化， 对潜艇的水动力性能有明显影响。相较于物理试验，数值模拟可以利用计算机快速地进行模拟和处理较复杂的试验， 且成本较物理试验低，可以施加物理试验时达不到的一些条件。恰当的数值模拟方法可以对试验研究和理论分析结果进行合理性的预期。

2 内孤立波对海洋工程及潜体的作用特性研究进展

海水的密度分布不均匀。事实上，由于太阳热辐射等因素，海水的密度分布通常具有垂直分层特征。由于海水密度的分层特性，当海洋中存在扰动源时，在一定条件下会激发出海洋内部的巨大振幅，即内波。世界上几乎所有的大陆架区和深海区都存在内波， 许多海域存在复杂的海水分层现象，内波活动频繁。内孤立波的传播会引起周围水域流场的显著变化， 对海洋工程结构和潜水器的影响不容忽视。 在海洋工程结构和潜水器的设计中，应考虑内波的载荷和作用特性。内孤立波的力学特性可以从分层流体环境中结构物的力学响应、 内孤立波作用下的海洋工程和潜体的动力特性2个方面介绍。

2.1 分层流环境下结构物的力学响应

在海洋工程的海洋结构中，柱形结构被广泛应用，如海底隧道、水下航行器和各种用途的跨海桥梁。研究内孤立波对此类结构的作用特性， 是认识内孤立波作用机制的基础。因此，有必要对内孤立波力学性能的研究进展进行综述。目前，海洋结构物的设计必须考虑其所能承受的内波浪力，Sturova[18]利用特征函数展开法、多级展开法和格林函数法， 对水下结构如圆柱体、球体、方盒及薄板等进行了较为系统的研究。 结果表明，在一定频率范围内， 两相分层流体的密度差和深度对海洋结构的水动力特性有重要影响。 Cai 等[19]利用Morison 公式分析了内孤立波诱导流场中细长杆的荷载，证实小直径桩所受内波力可达表面内波力的10 倍以上。 在内波力分析研究方面，叶春生等[20]利用Morison 公式估算了小型直立圆柱的内波载荷，并与表面波载荷、海流载荷进行了对比。 结果表明，内孤立波在传播过程的某些阶段载荷具有明显的正负垂直交错分布， 在此类环境中结构可能受到内孤立波引起的剪切力的破坏。

综上所述， 内孤立波的产生和传播导致海洋多层流体环境变得十分复杂， 使众多海洋结构物的力学特性发生改变，特别是海洋中常用的柱形结构。思考如何在内波环境下减小海洋结构物受到的破坏是值得深究的问题。与此同时，一些研究者也尝试探讨内波环境下对结构物实施相关的防护措施： ①可在结构物的密度跃层处增加减阻板， 减阻板试验表明减阻板能够有效地保护海洋结构物；②也可从结构物本身出发，利用结构物的材料或是升级表面工艺的改变来影响流场形态和压强梯度，从而起到保护结构物的目的。

2.2 内波与潜体相互作用

Du 等[21]利用分层水槽试验研究了内孤立波沿缓坡和山脊地形对细长潜体的水平力和垂向力特性。Wang[22]测量了波-流耦合流场中内波与加长潜体相互作用的二维作用力特征。结果表明，内孤立波入射角对潜体的水平力和垂向力有显著影响。 内波地形效应引起的结构变化将直接影响细长潜水器的力学特性。 付东明等[17]采用数值模拟技术模拟了两层流体中内孤立波与潜体之间的相互作用。 分析了潜体在不同深度有速和无速时的内孤立波载荷特性。 姚金伟等[23]采用边界元法计算了位于两层不同深度流体中的潜体受到的规则波的一阶内波力。 尤云祥等[24]对密度分层流体中内波与半潜式平台相互作用进行了模型试验研究，结果表明， 内波对半潜式平台运动响应的会造成不可忽视的影响。

综上所述， 潜体在密度分层的海洋内波环境下的水动力特性会发生非常复杂的变化， 如水平力、 垂向力、波浪载荷等的改变，这会导致潜体动力性能和操作难度都受到影响， 甚至会引起运动稳定性和控制操作的失控； 内波与海洋结构物相互作用可能使其产生高频振颤等结构相应现象， 给潜体的使用寿命和任务安全都带来了极大的威胁。在实际海洋环境中，必须将内孤立波视为潜体运行工程中重要的环境因素。

3 结束语

随着海洋内孤立波研究的不断深入， 人们发现海洋内波与物理海洋学和军事海洋学等多领域联系紧密，海洋内波产生、传播和消散都对海洋结构物和潜体有着至关重要的影响。 内波的不稳定性使海洋工程建设难度增加，其产生的强波作用力甚至可影响潜艇水下武器的发射，不断提高对内波的认识，对国家经济增长和军事实力增强都有重要作用。 本文总结归纳了众多学者对海洋内波及其与海洋结构物和潜体的研究所取得重要研究成果， 但仍有一些问题需要深入探讨。

1）海洋内波在传播的过程中，若遇到结构物和地形可能会发生不同反射、 折射和散射等复杂的相互作用，而我国海洋涉及各种复杂地形，相关问题应考虑和涉及。

2）海洋结构物和潜体在内孤立波环境下的研究大多在两相或三相流体中进行， 理论研究中采用的模型相对简化，这与内波的实际特征并不完全一致。实际的海洋水体分层、分布往往更加复杂，还需思考如何更好的模拟海洋中多层流体环境。