海洋波浪理论十篇

海洋波浪理论篇1

Abstract： The wave energy is one of the most abundant energy in the ocean energy latent recent study one of the largest ocean energy. Though the Systems analysis， we design a new kind of wave power generation device， the device uninterrupted supply of wave energy and convert it to electricity. Its main principle is to use the height difference between different float delay in the effect of wave and floating platforms to uninterrupted energy supply. The device can effectively enhance the absorption rate and absorption of wave energy within the scope of work， has a high economic value and practical value.

关键词： 波浪能；波能转换；发电装置

Key words： wave energy；wave energy conversion；generating device

中图分类号：TV139.2 文献标识码：A 文章编号：1006—4311（2012）27—0030—02

0 引言

随着人类对能源需求的与日俱增，单一利用传统化石类燃料已远远不能满足人类现阶段的日常所需，因此积极开发新型可再生无污染的新能源已是迫在眉睫。现在，越来越多的国家将目光投向了海洋，海洋占世界总面积的71%，拥有大量的海洋资源，譬如海洋生物资源、海洋化学资源、海洋动力资源、海洋水资源、海洋矿产资源、海洋油气资源、海洋生态资源等。作为资源的宝库，海洋是世界上尚未充分开发利用的最大领域，同时又是一种有利于环保可再生的清洁能源。以海洋能源而言，据研究，海洋中可再生能源可供利用的能量约为70多亿KW，是目前全世界发电能力的几十倍。各类海洋能全球总储量和我国可开发的能量如表1所示。

波浪能发电主要是通过波浪能发电装置将波浪能首先转换为机械能，然后再将其转换为电能。这一技术始于20世纪80年代，西方海洋大国利用各种新技术优势纷纷展开实验。海洋能作为一种取之不尽的可再生无污染的清洁能源，其具有分布面广，波浪能量密度高等特点。尤其是能源消耗量大的冬季，可利用的波浪能量也最大。现阶段利用波浪能并将其转换为电能的转换装置主要有陆地式和离岸漂浮式两种。按能量的传递方式可分为直接机械式、低压水力式、高压液压传动、启动传动4种。而波浪能发电装置种类也非常繁多，主要有竹筏式波浪能发电、点头鸭式波浪能发电、振荡水柱式波浪能发电、环礁式波浪能发电、收缩水道式波浪能发电等。

我国是海洋大国，可利用的海洋能极为丰富，尤其是东海沿岸（福建、浙江近海）海洋能蕴藏量大，能量密度高，开发条件优越，具有较大的开发利用价值。我国在波浪能资源方面也具有非常丰富的资源。我国理论波浪能存储量为7000万千瓦左右，沿海波浪能能流密度大约为2千瓦至7千瓦之间再能流密度较高的地方，每1米海岸线外的波浪能的能留能够满足约20个家庭的照明所需。

基于上述，本文提出了一种新型波浪能发电装置，其可以单独使用也可以同时多台串联或并联使用，能实现同一区域波浪能区域发电厂的功能，因此具有重要的理论和实际意义。

1 概述

本文提供了一个新型波浪能发电装置。（如图1所示）

其包括：①振荡浮子；②波浪能传动装置；③波浪能浮动平台；④波浪能转换装置；⑤平台固定装置；⑥波浪能发电装置。本装置主要利用振荡浮子与波浪能浮动平台在同一列波中的位置差而引起的高度差来吸收波浪能，并将其通过连接绳索将能量传递到波浪能转换装置上即波浪能发电机主轴上，通过波浪能发电机主轴的转动来使波浪能发电机产生电能，以此来提供人类日常所需。其具体的能量转换路径为：波浪能——振荡浮子机械能——连接绳的机械能——波浪能发电机主轴机械能——电能。图2为新型波浪能发电装置能量转换示意图。该装置主要由波浪能吸收装置、波浪能转换装置、波浪能发电装置3部分构成。其中波浪能吸收装置和波浪能转换装置为本文设计的波浪能发电装置的核心和主体特征。

2 波浪能采集装置

海洋波浪理论篇2

关键词 深水导管架 疲劳寿命 谱分析 Weibull分布 可靠性指标

中图分类号：{O657.6}文献标识码： A

引言

深水导管架海洋平台作为海洋资源开发的基础性设施,由于工作水深较大,施工方便等优点,很快得到推广和发展。但是通常深水导管架海洋平台结构形式非常复杂、体积庞大、造价昂贵,特别是与陆地结构相比,其所处的海洋环境更加复杂和恶劣,而且随着水深的增加,平台的动力响应更加明显[1],因此,它所涉及到的疲劳及可靠性问题也更显突出。

国内外关于海洋平台的疲劳及可靠性分析的研究已取得较大进展。Maddox[2-3]等对深水导管架平台结构进行了时间历程和谱疲劳分析,考虑结构动力特性对疲劳寿命计算的影响,但仅将环境载荷看成是由许多平稳、各态历经、狭带的高斯随机过程的短期海况组成。Vughts J H和Kinra RK[4]采用谱分析方法和波浪分布散步图,对固定式导管架平台结构进行基于概率统计的疲劳寿命评估,认为应用谱分析方法对导管架平台结构进行详细的疲劳分析是可行的,比用确定性方法更符合实际情况。Madhavan Pillai TM和Prasad AM[5]基于固定导管架平台检测数据,采用断裂力学理论在时域内对结构疲劳可靠性进行研究。国内的胡毓仁、陈伯真[6]126-301对船舶及海洋工程结构疲劳可靠性分析理论进行详细论述。方华灿、陈国明[7][8]228-291[9]主要针对冰区海上结构物的疲劳可靠性分析做了大量研究。由于我国海洋石油开发目前主要集中在近海海域,因此国内有关导管架海洋平台的研究主要是针对近海海域。

随着我国海洋石油战略的实施,海洋石油开发必然会从浅海向较深水域发展,因此开展深水导管架海洋平台结构的疲劳损伤和寿命预测,对深水域海洋石油的开发具有重要意义。本文针对200 m水深导管架海洋平台,采用谱分析方法模型对平台结构的疲劳可靠性进行分析,并与基于Weibull模型的计算结果进行比较。目前我国深水导管架海洋平台技术研究刚刚起步,本文的工作可以为深水导管架海洋平台的疲劳可靠性分析提供参考。

1 随机疲劳寿命可靠性分析

1.1 波浪谱

从长期而言,波浪过程并不具备平稳性,但对较短的一段时间,可以认为波浪是一个平稳的随机过程。波浪的长期分布可以看作是由许多短期海况序列组成的,在每一短期海况中,波浪是一个均值为零的平稳正态随机过程。根据随机过程理论,平稳随机过程的统计特性可由其功率谱密度完全地确定。在过去几十年里提出很多海浪频谱,这些波浪谱主要是通过观测资料的分析得到。1965年提出的Pierson-Moskowitz谱(P-M谱)在海洋工程中得到广泛应用,适用于外海无限风区的风浪谱。本文采用单参数P-M谱,即ITTC(international towing tankconference)谱进行计算,该波浪谱被国际船模水池会议定为标准海浪谱[6]77-80,单位为m2#s。

SGG(X) =0.78X5exp -3.11X4H2s (1)式中,Hs为有效波高,X为圆频率。

1.2 谱分析

谱分析法利用传递函数通过海洋波浪谱来预测结构中波浪诱导的应力谱。设SGG(X)和SRR(X)分别为平稳正态随机波浪过程G(t)与平稳正态随机交变应力过程R(t)的功率谱密度函数[6]83-85,则SRR(X) = [H(X)]2SGG(X) (2)式中,H(X)为传递函数。选定波浪谱之后,采用时间域作用规则波确定传递函数。令导管架海洋平台结构受一给定波幅和圆频率的规则波作用,根据Morison公式计算作用在导管架结构上的波浪诱导载荷;然后,采用有限元法对导管架平台结构进行动力响应力分析,得到平台结构的应力和位移等响应,将得到的感兴趣部位的响应幅值与波幅相比得到该圆频率下传递函数的值。取一系列不同的圆频率按上述方法计算,即可得到传递函数H(X)关于X的分布规律。

1.3 疲劳应力范围的分布模型

当在某一海况中,交变应力为一均值等于零的窄带平稳正态随机过程,根据随机过程理论可知,应力峰值服从Rayleigh分布。当交变应力过程为窄带时,跨零率等于峰值率,应力每跨越零均值一次即出现一个峰值。这时所有的峰值都是正的,于是可以假设应力范围S与应力峰值y之间的关系S=2y。由此可知应力范围也服从Rayleigh分布,其概率密度函数为f(S) =S4R2sexp -S28R2s0[S

Jn=Q+]0XnSRR(X)dX(n= 0,1,2,,) (6)

在海洋工程结构中交变应力过程往往是宽带的,且应力峰值服从Rice分布,但在宽带情况下,应力范围与应力峰值的关系不易确定,因而应力范围的概率分布也难于确定。文献[10]曾在Rice分布的基础上,对应力范围与应力峰值的关系作出假设,导出应力范围的概率分布,但没有理论依据,且与实际情况有较大的差异。因此,采用文献[11-12]中的方法,认为宽带应力过程的应力范围仍服从Rayleigh分布,并用一个标准差Rs和跨零率f0与原过程相同的窄带过程来近似地代替原来的宽带过程,然后对窄带假定进行雨流修正。

在海洋工程结构疲劳可靠性分析中,为了便于分析和计算,将应力范围的长期分布采用Weibull分布函数描述,这样可以得到封闭形式的解析解。为了与谱分析计算结果进行对比,将基于等效Weibull分布的计算两种方法计算结果均表明导管架过渡段到水面以下第二层之间杆件的疲劳可靠性指标较其他部位的偏小。基于等效Weibull分布方法可以由应力范围的长期分布直接求出海况的长期应力参数,因此其计算过程比谱分析法简洁。基于等效Weibull分布方法计算结果相对于谱分析方法计算结果偏于保守,仅适用于对平台的疲劳寿命进行先期处理。谱分析方法将海浪作为随机过程处理,因此具有较高的计算精度,建议平台关键部位采用谱分析方法计算。

结论

1)随机应力谱在对应于波浪谱峰值和平台结构基本频率处出现峰值。当较小的波高出现时,虽然在波浪谱峰值处对应的应力谱峰值较小,但在平台固有频率处出现较大峰值,说明波高较小的海况,波浪周期与平台固有频率相近,容易产生共振,是降低平台疲劳寿命的主要原因。

2)导管架过渡段到水面以下第二层之间杆件交变应力的幅值较大,其疲劳可靠性与其他部位相比,可靠性指标偏小。

3)基于等效Weibull分布方法计算简洁,但与谱分析方法计算结果相比偏于保守,仅适合平台疲劳疲劳可靠性的先期处理,建议采用谱分析方法对平台进行详细的疲劳分析。

考文献(References)

[1] 胡毓仁,陈伯真.船舶及海洋工程结构疲劳可靠性分析[M].北京:人民交通出版社, 1996: 77 -213.

[2] 方华灿,吴小薇.海洋石油平台结构系统的疲劳寿命预测[J].机械强度, 2002, 24(1): 101-103.

海洋波浪理论篇3

关键词：海洋工程；浮式结构物设计；三维海浪模型；数值仿真

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）25-5737-03

海洋工程领域中的浮式结构物在海域展开应用时，会不可避免地遭遇各种恶劣海况。浮式结构物受到海浪产生的绕流力、惯性力、冲击力、浮托力等作用，这些作用直接关系到结构物的生存安全。因此在浮式结构物设计时，必须要充分考虑海浪的影响，精确计算海浪载荷，校验和优化结构，研究浮式结构物的耐波性和稳性，保证其满足设计要求的稳定性和安全性。

目前评估海浪载荷对浮式结构物的影响主要采用物理模型试验的方法，然而这种方法费时费力，而数值模拟具有参数设置灵活、计算结果精确等优点，正逐步成为设计领域研究海浪载荷的重要手段。由于受到计算机硬件发展水平和波浪理论不成熟等的制约，早期的海浪数值仿真主要以二维为主，但是对于需要研究海浪和浮式结构物相互作用过程中产生的波浪折绕射、漩涡等现象时，显然不能满足工程的需要。因此研究三维海浪数值模型，实现对海浪现象更加真实准确的描述，是海上复式结构物设计领域中研究海浪和结构物相互作用的必然发展方向。

本文利用谱分析的方法，在MATLAB环境下对三维随机海浪模型进行了数值模拟仿真，并给出了三维随机海浪波面图，为浮式结构物设计中计算海浪载荷提供了参考。

1 Longuet-Higgins长峰波海浪模型

2 三维不规则短峰波随机海浪仿真

2.1 基于谱分析的三维不规则短峰波随机海浪模型

该仿真海浪中，最大波高[Hmax=3.32m]，根据标准浪级波高的参考值[3]，五级浪对应的波高范围为[2.5，4.0m]，最大波高[Hmax]位于允许的波高范围内，说明利用海浪谱来模拟三维随机海浪能够得到比较精确的海浪波面图和波高值。进一步根据流体的势流理论就可以分析计算出该结构物受到的海浪载荷，为校验结构物的结构强度提供了必要的基础。

3 结论

海上浮式结构物结构强度校验需要计算分析海浪载荷，该文利用海浪谱分析的方法，实现了在开阔海域主要由风力引起的海浪的模拟，该仿真海浪的波面图和波高符合标准浪级波高的参考值。进一步利用流体的势流理论就可以分析计算出结构物受到的海浪载荷，为进一步的结构强度校核提供基础。

参考文献：

[1] 俞聿修.随机波浪及其工程应用[J].大连理工大学出版社，1992.

海洋波浪理论篇4

【论文摘要】：改革开放以来，沿海地区因为便利的水上交通和丰富的海洋资源，使得经济飞速发展。但在经济发展的同时，我们也应该看到，海洋正在遭受着前所未有的破坏，如何在促进海洋经济发展的同时，让海洋的生态环境得到应有的保护，已成为全世界共同关心的话题。文章就针对海洋经济和海洋环境的相互作用，谈一谈自己的看法。 

 

随着沿海经济的迅猛发展，近海海域遭到越来越严重的污染，使海域环境质量明显下降，生态环境日趋恶化，并对生物资源和人体健康产生有害影响。近海水域的污染已成为世界各国，特别是象我国这样具有相当长的海岸线和众多海湾的国家所共同关心的环境问题。海洋经济的发展还面临严酷的海洋自然环境，海洋灾害直接影响着海洋经济的发展规模、速度和效益，精确预报海洋灾害的发生、发展和应该采取何种防灾、抗灾和减灾工程措施，也成为严重关注的环境问题。为了开发海洋中的空间、矿产、渔业、能源等物质资源，需要在海上进行各类工程建设，在目前科技日益发展的情况下，工程建设的规模日益巨大，这些大规模的工程建设和海洋环境之间的相互作用也将是开发海洋中的一个应引起特别关注的重要问题。为了适应我国海洋经济的快速发展，海洋环境的日益恶化，海洋灾害的频发和海洋工程向大型化发展，近海石油气田的开发，以及海岸带开发过程中的后效问题的研究需要，针对我国重大海洋环境与保护问题开展研究是十分必要和迫切的。 

在这方面，重点需要开展的研究课题大体上有三类。第一类课题是海洋环境特征对各类污染物作用的机理和规律研究，第二类课题是海洋工程设施防灾、抗灾和减灾研究，第三类课题是海洋工程及海洋环境工程与海洋环境的相互作用吸防治措施与对策。 

 

一、海洋环境特征 

 

对各类污染物的作用机理和规律研究以海洋流体动力对各类污染物迁移、扩散、转化规律的研究为基础，考虑各种自然环境因素（浪、流、风、光、温度、湿度）、物理因素（扩散、挥发、沉降、吸附、释放）、化学因素、生物因素的作用，揭示污染物在海洋复杂条件下的运动及演变规律，并建立海洋水质预测预报模型。此外，近年来，在我国沿海海域，赤潮频发严重。因此，除了加强赤潮的监测和预报外，也应加强在建立赤潮生长机理和发展规律方面的研究工作。 

此项研究应通过现场观测、物理模型实验和数学模拟研究相结合的方法来进行。由于现场观测工作耗资巨大，且受到许多客观条件的限制，所获得的数据往往有许多综合因素的共同作用，很难将其中的单因素影响分离出来，因此，往往只能用它来作为对某一水质预测预报模型进行检验其可行性和精度的一个实例。 

用数学模拟方法来建立海洋水质预测预报模型是一个较为有效的方法。目前，在这方面国内外已有不少水质预测预报模型，这些水质预测预报模型大体上都基于以下几方面的模型：水流数学模型；波浪数学模型；液流相互作用模型；近海海域污染物迁移转化数学模型。 

在水流数学模型研究方面，对于较大范围的海域，通常可采用深度平均的潮流教学模型，对于紊动影响不显著的海域，可不考虑湍流影响，而对于湍流效应显著的区域，如排污口近区，则应考虑湍流效应。此外，采用坐标变换，可建立一种能够考虑复杂地形和套流效应的三维潮流数学模型，这样才能够较好地重现实际海域的三维潮流特征。在较小范围的水域，水流数学模型可以以n－s方程和通用的k－单流体数学模型。也可以基于多流体模型的基本概念，分别对两相本身的湍流输运规律以及相间相互作用规律进行模拟，建立两相湍浮力分层流的双流体数学模型。 

在波浪数学模型研究方面，可应用bi—cgstab法求解由椭圆型缓坡方程离散得到的代数方程组，以提高求解效率。从水波发展方程出发，可导出一种用于大区域波浪变形问题的数学模型。通过引入弱非线性波色散关系，可使双曲型缓坡方程能够有效地考虑波浪的非线性效应。对高阶boussinesq方程的进一步研究，可使方程的色激性从入水到深水都达到很高精度，并提高方程的非线性精度，可以更精确的计算较深水域波浪的非线性特征。 

针对带自由表面的波浪场问题，通过把能有效模拟自由面形态的n— s方程和波能平衡方程的结合，可导出一个能考虑破波能量损失的抛物型缓坡疗程，用这个方程可模拟规则波和不规则波破碎引起的波高变化。建立沿岸流数学模型，可模拟海岸上波高变化和破碎波波高、波浪增减水和沿岸流。 

在波流相互作用模型的研究方面，对于弱流情形，可采用一种考虑流影响的修正的合流缓坡模型；对于强流情形，可采用在botssinesq方程中考虑流影响的模型。可以将辐射应力的计算公式与抛物型缓坡方程中的待求变量联系起来，建立一种辐射应力计算的新方法，用该方法可对较大区域均匀斜坡地形上的波浪辐射应力进行数值模拟。 

在近海海域污染物迁移转化数学模型研究方面，基于n一s方程所建立的深度平均的二维应力一通量代数全场模型，可对非对称潮流作用下的侧向岸边排放问题过分数值模拟。以研究近海海域污染物迁移转化的三维预报系统作为目标，在分析近海环境中各种物理、化学和生物现象的基础上，针对近海海域水污染的特点，从三维湍流模型出发，在动量方程中引入表面风应力、底部切应力以及柯氏力的作用；在输运方程中引入反映物理、化学、生物等作用的源、汇项，可建立一个统一考虑物理、化学和生物等过程综合作用的近海海域污染物迁移转化的三维预报模型，它可为环境评价、水质规划、污染控制以及水域排污工程设计等提供重要的科学依据；同时对确定水域环境容量，从而制定水域环境保护策略，也具有十分重要的理论价值和应用前景。 

应该指出，在海洋水质预测预报模型研究方面，数学模拟无疑是一种十分有效的手段，但不论是何种数学模型，其模型中所需的必要参数和边界条件的处理是研究水质模型的技术关键，直接影响到水质模型的科学性和预测能力。而这些必要的数据是无法从数学模型本身来取得的，有些可以通过现场观测来得到，但其中一些最基本的卷数是要通过基本机理的研究才能得到，在这方面物理模型实验研究将是一个有效的手段。 

能模拟海洋动力因素的先进实验设备，现代化的量测仪器和测试系统是开展物理模型实验研究的必备条件。进一步完善piv和lif的浓度场、速度场同步测量系统，可研究非破碎波浪、破碎波浪及波流相互作用下水流的垂直结构，获得流场中水质点速度的空间分布和时间过程；并同步获得波浪及波流相互作用下浓度场的空间及时间变化过程，可用以分析定量污染物团在波浪及波流相互作用下扩散的基本特征和扩散系数。 

 

二、海洋灾害的精确预报及海洋工程设施防灾、抗灾和减灾的研究 

 

海洋灾害主要包括风暴潮、海浪、海冰、海啸、赤潮及海岸侵蚀等。 

90年代以来，我国海洋灾害所造成的损失每年达上百亿元人民币，是世界上海洋灾害最严重的国家之一。海洋工程结构的投资费用很高，一旦发生破坏，将会造成重大的人员伤亡和巨额财产损失。当前我国海洋能源开发与海洋空间利用的绝大部分活动是在近海和极浅海海域。为了保证在这些海域所建造的工程设施能够安全服役免遭破坏，面临的首要问题是弄清这一海域中严酷和复杂多变的环境因素。我国东临西北太平洋，每年出现的台风数目占全球的38%，其中对我国可能造成灾害的台风每年有7—8个。每当台风在我国登陆或接近我国沿海通过时，都会在沿岸局部地区产生风暴潮，形成风暴潮灾害。 

在我国北方海域，冬季由于受寒潮影响，沿岸地区每年都有结冰现象，结冰严重的年份则出现冰害。若对这些海洋灾害估计不足将会带来巨大的损失。渤海重叠冰与堆积冰的形成，不但可给结构物以强大的冰压力，而且由于冰激引起的振动作用，也会给海洋平台的使用和安全带来巨大的损害。而冰区溢油的迁移规律及预防和清理技术，至今尚未进行过深入的研究。对近岸大面积冰排和海上浮冰，在波浪、潮汐作用下都会引起海冰的断裂，断裂后冰块的尺度直接影响其对结构物的作用。在渤海海域建造的海洋平台，为了抵抗冰害，往往建成正、倒锥体的结构型式，冰排对锥体结构的冰荷载及与其的动力相互作用，也是目前尚未解决的课题。在海冰力学的研究中，除进行理论分析和数值模拟外，实验研究也是一个重要的手段。在实验研究中，模型冰可采用冻结模型冰和非冻结模型冰来进行，它们各有其优缺点，发展这两种技术是海冰力学研究中的一个课题。 

我国是一个多地震的国家，海域中时有地震发生。强烈的地震将有可能是海上工程设施的主要破坏荷载。如果一旦在地震中结构物发生破坏，除其直接经济损失极大外，其次生灾害——火灾、环境污染等的后果也不堪设想。 

近年环太平洋地区地震的频度和强度都在上升，造成重大灾害。大型海上工程在地震作用下的安全性，特别是抗震防灾的基本原理和减震技术措施需要认真研究。海域中的大型海上水工建筑物在地震作用下的响应和振动破坏机理更有待深入研究。日本阪神地震记录资料表明，地震及由此引发的巨浪共同作用对水中和岸边建筑物造成的破坏十分严重。水工建筑物的这类破坏机理，至今国内外对此都很少研究，且由于试验条件的限制，国内外对此方面的试验研究工作开展极少。这是海上水工建筑物抗震研究中的一个新领域。 

海上水工建筑物在长期运行过程中健康状况逐渐恶化，其损伤主要来自两个方面：其一是结构的老化、疲劳、超载、内部损伤（裂缝）、地基沉降变形以及环境的物理化学损伤（低温、冻融、大气侵蚀）等；其二是设计不周或设计标准偏低，施工质量差，原材料不合格，管理维护不善等。大型海上水工建筑物的损伤和事故都将对国民经济的发展造成重大的影响。 

因此，发展以下的一些技术和方法将是十分重要的。如在考虑海洋环境荷载在幅值。时间及方向上的随机性所导致结构安全的不确定性情况下，对现役海洋工程结构进行健康诊断和评估剩余可靠度的理论；结构健康状态及损伤检测的新技术和新方法；结构病害治理用的新材料、新技术和新方法；海洋工程结构在多种复杂海洋环境条件下（风、浪、流、冰、地震等）的可靠度和优化理论研究，设计与建造新型抗灾工程结构；研究和设计使海洋工程结构物在设计使用期限内有足够的安全度，而在退役之后又便于拆除的各种工程措施。 

为了及时掌握海洋环境的风云变幻和灾害的可能来临，发展海洋环境及灾害的预报技术是非常必要的。为此需要建立以下一些系统，如建立由近海到远海的海洋环境及灾害观测网络、预报与预警系统、沿岸防灾准备和各类应急处理系统；以主要海域和海岸带区域经济发展为背景，进行重点研究，建立数字化的海洋环境信息系统模型与结构；以及建立海岸和近海工程设施防灾减灾数字信息系统，将海岸和近海工程与网络技术人算机技术、遥感技术、地理信息系统、全球定位系统相结合，建立数学物理模型，通过多媒体技术，形象化地描述灾害成因、发生机理、传播规律、模拟灾害破坏的过程，建成智能化的防灾、抗灾和减灾决策支持系统。 

 

三、海洋工程及海洋环境工程与海洋环境的相互作用及防治措施 

 

为了充分利用海洋空间，现代海洋空间利用除传统的港口和海洋运输外，正在向海上人造城市、发电站、海洋公园、海上机场、海底隧道和海底仓储的方向发展。 

人们现已在建造或设计海上生产、工作、生活用的各种大型人工岛、超大型浮式海洋结构和海底工程，估计到21世纪，可能出现能容纳10万人的海上人造城市。我国澳门和日本已经在海上建成了人工岛海上机场。为缓解紧张的陆地资源及减少城市噪音等，日本已经于99年8月在东京湾用6块380米长，60米宽的矩形漂浮钢板拼装海上漂浮机场。 

由此可见，随着海洋资源与空间的开发利用，各类海上工程建筑物数量不断增多、规模日益复杂和庞大，保证这些海上工程设施的安全运行及采取海洋工程防灾减灾措施将越来越重要。海岸带和近岸海域是各种动力因素最复杂的地区，但同时又是经济活动最为发达的地区，海上工程建设如果考虑不当将会在一定程度上引发环境灾害。工程设施可能破坏原有海岸带的动态平衡，影响岸滩的冲淤变化。海上回填和疏浚会改变海岸的形态，破坏某些海洋生物赖以生存的栖息地，若对含有污染物的疏浚污泥倾抛处理不当则会造成二次污染。海上石油生产中的溢油事故将对海洋环境造成极其严重的污染。日益增多的海上退役工程设施如果不及时处理也将会逐渐成为海上障碍物以致引起公害。海洋工程抗灾减灾的任务是一方面要保证最大限度地减少自然界海洋灾害带来的报失，另一方面又要避免人为造成的海洋环境灾害。 

随着人类对海洋资源的不断开发和利用，海洋环境保护与人类生产实践活动协调发展日显重要。如港口开发中的环境问题，主要内容包括：航道、港池开挖、疏浚引起的泥沙输运及其疏浚物抛放对海洋环境的影响，深水港口水工建筑物、大型人工岛、超大型浮式结构的环境和生态影响；破波带及其附近水域沿岸流对物质输运扩散规律研究；大型海岸工程、岸滩保护和整治工程引起的海域环境的变迁和海岸演变；海岸演变、防护及开发利用新概念的原则与理论，如由于工程措施所引起的海岸动力学、生态学、社会经济学及与环境关系的综合分析与协调。 

随着沿海大、中型城市经济建设的快速发展，城平建设中的污水深海排放技术，感潮水域污水多点排放漂移扩散研究，天然海湾、人工湖及人工运河的水质交换能力，人工沙滩的保护措施，滩涂围垦对水域环境的影响等，都将是需要认真解决的问题。 

海洋波浪理论篇5

关键词：海洋经济 海洋环境 环境保护 海洋灾害

前言

随着沿海经济的迅猛发展，近海海域遭到越来越严重的污染，使海域环境质量明显下降，生态环境日趋恶化，并对生物资源和人体健康产生有害影响。近海水域的污染已成为世　界各国，特别是象我国这样具有相当长的海岸线和众多海湾的国家所共同关心的环境问题。海洋经济的发展还面临严酷的海洋自然环境，海洋灾害直接影响着海洋经济的发展规模、速度和效益，精确预报海洋灾害的发生、发展和应该采取何种防灾、抗灾和减灾工程措施，也成为严重关注的环境问题。为了开发海洋中的空间、矿产、渔业、能源等物质资源，需要在海上进行各类工程建设，在目前科技日益发展的情况下，工程建设的规模日益巨大，这些大规模的工程建设和海洋环境之间的相互作用也将是开发海洋中的一个应引起特别关注的重要问题。为了适应我国海洋经济的快速发展，海洋环境的日益恶化，海洋灾害的频发和海洋工程向大型化发展，近海石油气田的开发，以及海岸带开发过程中的后效问题的研究需要，针对我国重大海洋环境与保护问题开展研究是十分必要和迫切的。

在这方面，重点需要开展的研究课题大体上有三类。第一类课题是海洋环境特征对各类污染物作用的机理和规律研究，第二类课题是海洋工程设施防灾、抗灾和减灾研究，第三类课题是海洋工程及海洋环境工程与海洋环境的相互作用吸防治措施与对策。

一、海洋环境特征对各类污染物的作用机理和规律研究

以海洋流体动力对各类污染物迁移、扩散、转化规律的研究为基础，考虑各种自然环境因素（浪、流、风、光、温度、湿度）、物理因素（扩散、挥发、沉降、吸附、释放）、化学因素、生物因素的作用，揭示污染物在海洋复杂条件下的运动及演变规律，并建立海洋水质预测预报模型。此外，近年来，在我国沿海海域，赤潮频发严重。因此，除了加强赤潮的监测和预报外，也应加强在建立赤潮生长机理和发展规律方面的研究工作。

此项研究应通过现场观测、物理模型实验和数学模拟研究相结合的方法来进行。由于现场观测工作耗资巨大，且受到许多客观条件的限制，所获得的数据往往有许多综合因素的共同作用，很难将其中的单因素影响分离出来，因此，往往只能用它来作为对某一水质预测预报模型进行检验其可行性和精度的一个实例。

用数学模拟方法来建立海洋水质预测预报模型是一个较为有效的方法。目前，在这方面国内外已有不少水质预测预报模型，这些水质预测预报模型大体上都基于以下几方面的模型：水流数学模型；波浪数学模型；液流相互作用模型；近海海域污染物迁移转化数学模型。

在水流数学模型研究方面，对于较大范围的海域，通常可采用深度平均的潮流教学模型，对于紊动影响不显著的海域，可不考虑湍流影响，而对于湍流效应显著的区域，如排污口近区，则应考虑湍流效应。此外，采用坐标变换，可建立一种能够考虑复杂地形和套流效应的三维潮流数学模型，这样才能够较好地重现实际海域的三维潮流特征。在较小范围的水域，水流数学模型可以以N－S方程和通用的k－（湍流模型为基础，针对水温和盐度分层流的流动特性，考虑浮力对紊动的影响，建立用于模拟同时存在温度和盐度梯度这一类密度分层流的k－（单流体数学模型。也可以基于多流体模型的基本概念，分别对两相本身的湍流输运规律以及相间相互作用规律进行模拟，建立两相湍浮力分层流的双流体数学模型。

在波浪数学模型研究方面，可应用BI—CGSTAB法求解由椭圆型缓坡方程离散得到的代数方程组，以提高求解效率。从水波发展方程出发，可导出一种用于大区域波浪变形问题的数学模型。通过引入弱非线性波色散关系，可使双曲型缓坡方程能

够有效地考虑波浪的非线性效应。对高阶Boussinesq方程的进一步研究，可使方程的色激性从入水到深水都达到很高精度，并提高方程的非线性精度，可以更精确的计算较深水域波浪的非线性特征。

针对带自由表面的波浪场问题，通过把能有效模拟自由面形态的N— S方程和波能平衡方程的结合，可导出一个能考虑破波能量损失的抛物型缓坡疗程，用这个方程可模拟规则波和不规则波破碎引起的波高变化。建立沿岸流数学模型，可模拟海岸上波高变化和破碎波波高、波浪增减水和沿岸流。

在波流相互作用模型的研究方面，对于弱流情形，可采用一种考虑流影响的修正的合流缓坡模型；对于强流情形，可采用在Botssinesq方程中考虑流影响的模型。可以将辐射应力的计算公式与抛物型缓坡方程中的待求变量联系起来，建立一种辐射应力计算的新方法，用该方法可对较大区域均匀斜坡地形上的波浪辐射应力进行数值模拟。

在近海海域污染物迁移转化数学模型研究方面，基于N一S方程所建立的深度平均的二维应力一通量代数全场模型，可对非对称潮流作用下的侧向岸边排放问题过分数值模拟。以研究近海海域污染物迁移转化的三维预报系统作为目标，在分析近海环境中各种物理、化学和生物现象的基础上，针对近海海域水污染的特点，从三维湍流模型出发，在动量方程中引入表面风应力、底部切应力以及柯氏力的作用；在输运方程中引入反映物理、化学、生物等作用的源、汇项，可建立一个统一考虑物理、化学和生物等过程综合作用的近海海域污染物迁移转化的三维预报模型，它可为环境评价、水质规划、污染控制以及水域排污工程设计等提供重要的科学依据；同时对确定水域环境容量，从而制定水域环境保护策略，也具有十分重要的理论价值和应用前景。

应该指出，在海洋水质预测预报模型研究方面，数学模拟无疑是一种十分有效的手段，但不论是何种数学模型，其模型中所需的必要参数和边界条件的处理是研究水质模型的技术关键，直接影响到水质模型的科学性和预测能力。而这些必要的数据是无法从数学模型本身来取得的，有些可以通过现场观测来得到，但其中一些最基本的卷数是要通过基本机理的研究才能得到，在这方面物理模型实验研究将是一个有效的手段。

能模拟海洋动力因素的先进实验设备，现代化的量测仪器和测试系统是开展物理模型实验研究的必备条件。进一步完善PIV和LIF的浓度场、速度场同步测量系统，可研究非破碎波浪、破碎波浪及波流相互作用下水流的垂直结构，获得流场中水质点速度的空间分布和时间过程；并同步获得波浪及波流相互作用下浓度场的空间及时间变化过程，可用以分析定量污染物团在波浪及波流相互作用下扩散的基本特征和扩散系数。

二、海洋工程及海洋环境工程与海洋环境的相互作用及防治措施与对策

为了充分利用海洋空间，现代海洋空间利用除传统的港口和海洋运输外，正在向海上人造城市、发电站、海洋公园、海上机场、海底隧道和海底仓储的方向发展。人们现已在建造或设计海上生产、工作、生活用的各种大型人工岛、超大型浮式海洋结构和海底工程，估计到21世纪，可能出现能容纳10万人的海上人造城市。我国澳门和日本已经在海上建成了人工岛海上机场。为缓解紧张的陆地资源及减少城市噪音等，日本已经于99年8月在东京湾用6块380米长，60米宽的矩形漂浮钢板拼装海上漂浮机场。

由此可见，随着海洋资源与空间的开发利用，各类海上工程建筑物数量不断增多、规模日益复杂和庞大，保证这些海上工程设施的安全运行及采取海洋工程防灾减灾措施将越来越重要。海岸带和近岸海域是各种动力因素最复杂的地区，但同时又是经济活动最为发达的地区，海上工程建设如果考虑不当将会在一定程度上引发环境灾害。工程设施可能破坏原有海岸带的动态平衡，影响岸滩的冲淤变化。海上回填和疏浚会改变海岸的形态，破坏某些海洋生物赖以生存的栖息地，若对含有污染物的疏浚污泥倾抛处理不当则会造成二次污染。海上石油生产中的溢油事故将对海洋环境造成极其严重的污染。日益增多的海上退役工程设施如果不及时处理也将会逐渐成为海上障碍物以致引起公害。海洋工程抗灾减灾的任务是一方面要保证最大限度地减少自然界海洋灾害带来的报失，另一方面又要避免人为造成的海洋环境灾害。

随着人类对海洋资源的不断开发和利用，海洋环境保护与人类生产实践活动协调发展日显重要。如港口开发中的环境问题，主要内容包括：航道、港池开挖、疏浚引起的泥沙输运及其疏浚物抛放对海洋环境的影响，深水港口水工建筑物、大型人工岛、超大型浮式结构的环境和生态影响；破波带及其附近水域沿岸流对物质输运扩散规律研究；大型海岸工程、岸滩保护和整治工程引起的海域环境的变迁和海岸演变；海岸演变、防护及开发利用新概念的原则与理论，如由于工程措施所引起的海岸动力学、生态学、社会经济学及与环境关系的综合分析与协调。

随着沿海大、中型城市经济建设的快速发展，城平建设中的污水深海排放技术，感潮水域污水多点排放漂移扩散研究，天然海湾、人工湖及人工运河的水质交换能力，人工沙滩的保护措施，滩涂围垦对水域环境的影响等，都将是需要认真解决的问题。

鉴于黄河三角洲海岸线不断依退所带来的国土面积减少、陆上设施受到威胁甚至破坏、对黄河三角洲湿地自然条件的毁灭性破坏等一系列问题，也是非常迫切需要研究的课题。此外，长江三角洲、珠江口及珠江三角洲的海岸开发、滩涂围垦和岸滩保护及整治工程对水域影响所引起的环境问题及其对策，也切枰?重点研究的课题??BR>以主要经济发达的河口和海岸带地区以及主要海域的经济发展为背景，建立一个数字化的区域经济发展模拟系统。与防灾、抗灾和减灾决策支持系统一样，将环境工程、水利工程、土木工程与网络技术、计算机技术、遥感技术、地理信息系统、全球定位系统相结合，建立模型，通过多媒体技术，形象化地针对经济发展规划，预测由于发展经济带来的海域环境水污染的恶化、海洋自然灾害（台风、巨浪、风暴潮、地震、冰害、地质灾害）频发的情况。人类活动特别是大规模工程建设所引起的海洋环境的变迁和海岸演变，以及它们之间的相互作用，用数字手段统一地加以处理，建立智能化的决策支持系统，以促进国民经济持续、健康地发展，将会是决策部门进行宏观决策和具体规划时的一个十分有

效的手段。

三、海洋灾害的精确预报及海洋工程设施防灾、抗灾和减灾的研究

海洋灾害主要包括风暴潮、海浪、海冰、海啸、赤潮及海岸侵蚀等。90年代以来，我国海洋灾害所造成的损失每年达上百亿元人民币，是世界上海洋灾害最严重的国家之一。海洋工程结构的投资费用很高，一旦发生破坏，将会造成重大的人员伤亡和巨额财产损失（如1969年渤海冰推倒“海二井”平台，1989年风暴潮损失超6亿元，1991年DB29销管船在南海通台风翻沉等）。当前我国海洋能源开发与海洋空间利用的绝大部分活动是在近海和极浅海海域。为了保证在这些海域所建造的工程设施能够安全服役免遭破坏，面临的首要问题是弄清这一海域中严酷和复杂多变的环境因素。我国东临西北太平洋，每年出现的台风数目占全球的38%，其中对我国可能造成灾害的台风每年有7—8个。每当台风在我国登陆或接近我国沿海通过时，都会在沿岸局部地区产生风暴潮，形成风暴潮灾害。

在我国北方海域（渤海和北黄海），冬季由于受寒潮影响，沿岸地区每年都有结冰现象，结冰严重的年份则出现冰害。若对这些海洋灾害估计不足将会带来巨大的损失。渤海重叠冰与堆积冰的形成，不但可给结构物以强大的冰压力，而且由于冰激引起的振动作用，也会给海洋平台的使用和安全带来巨大的损害。而冰区溢油的迁移规律及预防和清理技术，至今尚未进行过深入的研究。对近岸大面积冰排和海上浮冰，在波浪、潮汐作用下都会引起海冰的断裂，断裂后冰块的尺度直接影响其对结构物的作用。在渤海海域建造的海洋平台，为了抵抗冰害，往往建成正、倒锥体的结构型式，冰排对锥体结构的冰荷载及与其的动力相互作用，也是目前尚未解决的课题。在海冰力学的研究中，除进行理论分析和数值模拟外，实验研究也是一个重要的手段。在实验研究中，模型冰可采用冻结模型冰和非冻结模型冰来进行，它们各有其优缺点，发展这两种技术是海冰力学研究中的一个课题。

我国是一个多地震的国家，海域中时有地震发生。强烈的地震将有可能是海上工程设施的主要破坏荷载。如果一旦在地震中结构物（海洋平台、钻井船、人工岛、输油及输气管道等）发生破坏，除其直接经济损失极大外，其次生灾害——火灾、环境污染等的后果也不堪设想。

近年环太平洋地区地震的频度和强度都在上升，造成重大灾害。大型海上工程在地震作用下的安全性，特别是抗震防灾的基本原理和减震技术措施需要认真研究。海域中的大型海上水工建筑物在地震作用下的响应和振动破坏机理更有待深入研究。日本阪神地震记录资料表明，地震及由此引发的巨浪共同作用对水中和岸边建筑物造成的破坏十分严重。水工建筑物的这类破坏机理，至今国内外对此都很少研究，且由于试验条件的限制，国内外对此方面的试验研究工作开展极少。这是海上水工建筑物抗震研究中的一个新领域。

以下的一些研究内容将是为解决海洋工程设施抗震措施中的关键技术所必需考虑的，如近海环境地震危险性分析，设计地震动参数和频谱特性，强震海底多维地震动及其空间分布规律，地震波传播特性及地震动输入机理；海域中大型海上水工建筑物在地震作用下，考虑周围水介质影响的结构振动破坏机理、振动控制、地震动时颇联合分析模型和输入机制、非线性动力分析和动力破坏试验；核电站海域工程建筑物抗地震性能，海洋采油平台及地下输油管线与地基土动力相互作用，码头及护岸建筑物地震稳定性；海域中水工建筑物的性能设计和地震设防标准等。

海上水工建筑物在长期运行过程中健康状况逐渐恶化，其损伤主要来自两个方面：其一是结构的老化、疲劳、超载、内部损伤（裂缝）、地基沉降变形以及环境的物理化学损伤（低温、冻融、大气侵蚀）等；其二是设计不周或设计标准偏低，施工质量差，原材料不合格，管理维护不善等。大型海上水工建筑物的损伤和事故都将对国民经济的发展造成重大的影响。

海洋波浪理论篇6

关键词：海洋环境污染 海洋灾害

海洋工程与海洋环境相互作用随着沿海经济的迅猛发展，近海海域遭到越来越严重的污染，使海域环境质量明显下降，生态环境日趋恶化，并对生物资源和人体健康产生有害影响。近海水域的污染已成为世界各国，特别是象我国这样具有相当长的海岸线和众多海湾的国家所共同关心的环境问题。海洋经济的发展还面临严酷的海洋自然环境，海洋灾害直接影响着海洋经济的发展规模、速度和效益，精确预报海洋灾害的发生、发展和应该采取何种防灾、抗灾和减灾工程措施，也成为严重关注的环境问题。为了开发海洋中的空间、矿产、渔业、能源等物质资源，需要在海上进行各类工程建设，在目前科技日益发展的情况下，工程建设的规模日益巨大，这些大规模的工程建设和海洋环境之间的相互作用也将是开发海洋中的一个应引起特别关注的重要问题。为了适应我国海洋经济的快速发展，海洋环境的日益恶化，海洋灾害的频发和海洋工程向大型化发展，近海石油气田的开发，以及海岸带开发过程中的后效问题的研究需要，针对我国重大海洋环境与保护问题开展研究是十分必要和迫切的。

在这方面，重点需要开展的研究课题大体上有三类。第一类课题是海洋环境特征对各类污染物作用的机理和规律研究，第二类课题是海洋工程设施防灾、抗灾和减灾研究，第三类课题是海洋工程及海洋环境工程与海洋环境的相互作用吸防治措施与对策。

一、海洋环境特征

对各类污染物的作用机理和规律研究以海洋流体动力对各类污染物迁移、扩散、转化规律的研究为基础，考虑各种自然环境因素（浪、流、风、光、温度、湿度）、物理因素（扩散、挥发、沉降、吸附、释放）、化学因素、生物因素的作用，揭示污染物在海洋复杂条件下的运动及演变规律，并建立海洋水质预测预报模型。此外，近年来，在我国沿海海域，赤潮频发严重。因此，除了加强赤潮的监测和预报外，也应加强在建立赤潮生长机理和发展规律方面的研究工作。

此项研究应通过现场观测、物理模型实验和数学模拟研究相结合的方法来进行。由于现场观测工作耗资巨大，且受到许多客观条件的限制，所获得的数据往往有许多综合因素的共同作用，很难将其中的单因素影响分离出来，因此，往往只能用它来作为对某一水质预测预报模型进行检验其可行性和精度的一个实例。

用数学模拟方法来建立海洋水质预测预报模型是一个较为有效的方法。目前，在这方面国内外已有不少水质预测预报模型，这些水质预测预报模型大体上都基于以下几方面的模型：水流数学模型；波浪数学模型；液流相互作用模型；近海海域污染物迁移转化数学模型。

在水流数学模型研究方面，对于较大范围的海域，通常可采用深度平均的潮流教学模型，对于紊动影响不显著的海域，可不考虑湍流影响，而对于湍流效应显著的区域，如排污口近区，则应考虑湍流效应。此外，采用坐标变换，可建立一种能够考虑复杂地形和套流效应的三维潮流数学模型，这样才能够较好地重现实际海域的三维潮流特征。在较小范围的水域，水流数学模型可以以N－S方程和通用的k－（湍流模型为基础，针对水温和盐度分层流的流动特性，考虑浮力对紊动的影响，建立用于模拟同时存在温度和盐度梯度这一类密度分层流的k－（单流体数学模型。也可以基于多流体模型的基本概念，分别对两相本身的湍流输运规律以及相间相互作用规律进行模拟，建立两相湍浮力分层流的双流体数学模型。

在波浪数学模型研究方面，可应用BI—CGSTAB法求解由椭圆型缓坡方程离散得到的代数方程组，以提高求解效率。从水波发展方程出发，可导出一种用于大区域波浪变形问题的数学模型。通过引入弱非线性波色散关系，可使双曲型缓坡方程能够有效地考虑波浪的非线性效应。对高阶Boussinesq方程的进一步研究，可使方程的色激性从入水到深水都达到很高精度，并提高方程的非线性精度，可以更精确的计算较深水域波浪的非线性特征。

针对带自由表面的波浪场问题，通过把能有效模拟自由面形态的N— S方程和波能平衡方程的结合，可导出一个能考虑破波能量损失的抛物型缓坡疗程，用这个方程可模拟规则波和不规则波破碎引起的波高变化。建立沿岸流数学模型，可模拟海岸上波高变化和破碎波波高、波浪增减水和沿岸流。

在波流相互作用模型的研究方面，对于弱流情形，可采用一种考虑流影响的修正的合流缓坡模型；对于强流情形，可采用在Botssinesq方程中考虑流影响的模型。可以将辐射应力的计算公式与抛物型缓坡方程中的待求变量联系起来，建立一种辐射应力计算的新方法，用该方法可对较大区域均匀斜坡地形上的波浪辐射应力进行数值模拟。

在近海海域污染物迁移转化数学模型研究方面，基于N一S方程所建立的深度平均的二维应力一通量代数全场模型，可对非对称潮流作用下的侧向岸边排放问题过分数值模拟。以研究近海海域污染物迁移转化的三维预报系统作为目标，在分析近海环境中各种物理、化学和生物现象的基础上，针对近海海域水污染的特点，从三维湍流模型出发，在动量方程中引入表面风应力、底部切应力以及柯氏力的作用；在输运方程中引入反映物理、化学、生物等作用的源、汇项，可建立一个统一考虑物理、化学和生物等过程综合作用的近海海域污染物迁移转化的三维预报模型，它可为环境评价、水质规划、污染控制以及水域排污工程设计等提供重要的科学依据；同时对确定水域环境容量，从而制定水域环境保护策略，也具有十分重要的理论价值和应用前景。

应该指出，在海洋水质预测预报模型研究方面，数学模拟无疑是一种十分有效的手段，但不论是何种数学模型，其模型中所需的必要参数和边界条件的处理是研究水质模型的技术关键，直接影响到水质模型的科学性和预测能力。而这些必要的数据是无法从数学模型本身来取得的，有些可以通过现场观测来得到，但其中一些最基本的卷数是要通过基本机理的研究才能得到，在这方面物理模型实验研究将是一个有效的手段。

能模拟海洋动力因素的先进实验设备，现代化的量测仪器和测试系统是开展物理模型实验研究的必备条件。进一步完善PIV和LIF的浓度场、速度场同步测量系统，可研究非破碎波浪、破碎波浪及波流相互作用下水流的垂直结构，获得流场中水质点速度的空间分布和时间过程；并同步获得波浪及波流相互作用下浓度场的空间及时间变化过程，可用以分析定量污染物团在波浪及波流相互作用下扩散的基本特征和扩散系数。

二、海洋灾害的精确预报及海洋工程设施防灾、抗灾和减灾的研究海洋灾害主要包括风暴潮、海浪、海冰、海啸、赤潮及海岸侵蚀等。

90年代以来，我国海洋灾害所造成的损失每年达上百亿元人民币，是世界上海洋灾害最严重的国家之一。海洋工程结构的投资费用很高，一旦发生破坏，将会造成重大的人员伤亡和巨额财产损失（如1969年渤海冰推倒“海二井”平台，1989年风暴潮损失超6亿元，1991年DB29销管船在南海通台风翻沉等）。当前我国海洋能源开发与海洋空间利用的绝大部分活动是在近海和极浅海海域。为了保证在这些海域所建造的工程设施能够安全服役免遭破坏，面临的首要问题是弄清这一海域中严酷和复杂多变的环境因素。我国东临西北太平洋，每年出现的台风数目占全球的38%，其中对我国可能造成灾害的台风每年有7—8个。每当台风在我国登陆或接近我国沿海通过时，都会在沿岸局部地区产生风暴潮，形成风暴潮灾害。

在我国北方海域（渤海和北黄海），冬季由于受寒潮影响，沿岸地区每年都有结冰现象，结冰严重的年份则出现冰害。若对这些海洋灾害估计不足将会带来巨大的损失。渤海重叠冰与堆积冰的形成，不但可给结构物以强大的冰压力，而且由于冰激引起的振动作用，也会给海洋平台的使用和安全带来巨大的损害。而冰区溢油的迁移规律及预防和清理技术，至今尚未进行过深入的研究。对近岸大面积冰排和海上浮冰，在波浪、潮汐作用下都会引起海冰的断裂，断裂后冰块的尺度直接影响其对结构物的作用。在渤海海域建造的海洋平台，为了抵抗冰害，往往建成正、倒锥体的结构型式，冰排对锥体结构的冰荷载及与其的动力相互作用，也是目前尚未解决的课题。在海冰力学的研究中，除进行理论分析和数值模拟外，实验研究也是一个重要的手段。在实验研究中，模型冰可采用冻结模型冰和非冻结模型冰来进行，它们各有其优缺点，发展这两种技术是海冰力学研究中的一个课题。

我国是一个多地震的国家，海域中时有地震发生。强烈的地震将有可能是海上工程设施的主要破坏荷载。如果一旦在地震中结构物（海洋平台、钻井船、人工岛、输油及输气管道等）发生破坏，除其直接经济损失极大外，其次生灾害——火灾、环境污染等的后果也不堪设想。

近年环太平洋地区地震的频度和强度都在上升，造成重大灾害。大型海上工程在地震作用下的安全性，特别是抗震防灾的基本原理和减震技术措施需要认真研究。海域中的大型海上水工建筑物在地震作用下的响应和振动破坏机理更有待深入研究。日本阪神地震记录资料表明，地震及由此引发的巨浪共同作用对水中和岸边建筑物造成的破坏十分严重。水工建筑物的这类破坏机理，至今国内外对此都很少研究，且由于试验条件的限制，国内外对此方面的试验研究工作开展极少。这是海上水工建筑物抗震研究中的一个新领域。

以下的一些研究内容将是为解决海洋工程设施抗震措施中的关键技术所必需考虑的，如近海环境地震危险性分析，设计地震动参数和频谱特性，强震海底多维地震动及其空间分布规律，地震波传播特性及地震动输入机理；海域中大型海上水工建筑物在地震作用下，考虑周围水介质影响的结构振动破坏机理、振动控制、地震动时颇联合分析模型和输入机制、非线性动力分析和动力破坏试验；核电站海域工程建筑物抗地震性能，海洋采油平台及地下输油管线与地基土动力相互作用，码头及护岸建筑物地震稳定性；海域中水工建筑物的性能设计和地震设防标准等。

海上水工建筑物在长期运行过程中健康状况逐渐恶化，其损伤主要来自两个方面：其一是结构的老化、疲劳、超载、内部损伤（裂缝）、地基沉降变形以及环境的物理化学损伤（低温、冻融、大气侵蚀）等；其二是设计不周或设计标准偏低，施工质量差，原材料不合格，管理维护不善等。大型海上水工建筑物的损伤和事故都将对国民经济的发展造成重大的影响。

因此，发展以下的一些技术和方法将是十分重要的。如在考虑海洋环境荷载在幅值。时间及方向上的随机性所导致结构安全的不确定性情况下，对现役海洋工程结构进行健康诊断和评估剩余可靠度的理论；结构健康状态及损伤检测的新技术和新方法；结构病害治理用的新材料、新技术和新方法；海洋工程结构在多种复杂海洋环境条件下（风、浪、流、冰、地震等）的可靠度和优化理论研究，设计与建造新型抗灾工程结构；研究和设计使海洋工程结构物在设计使用期限内有足够的安全度，而在退役之后又便于拆除的各种工程措施。

为了及时掌握海洋环境的风云变幻和灾害的可能来临，发展海洋环境及灾害的预报技术是非常必要的。为此需要建立以下一些系统，如建立由近海到远海的海洋环境及灾害观测网络、预报与预警系统、沿岸防灾准备和各类应急处理系统；以主要海域和海岸带区域经济发展为背景，进行重点研究，建立数字化的海洋环境信息系统模型与结构；以及建立海岸和近海工程设施防灾减灾数字信息系统，将海岸和近海工程与网络技术人算机技术、遥感技术、地理信息系统、全球定位系统相结合，建立数学物理模型，通过多媒体技术，形象化地描述灾害成因、发生机理、传播规律、模拟灾害破坏的过程，建成智能化的防灾、抗灾和减灾决策支持系统。

三、海洋工程及海洋环境工程与海洋环境的相互作用及防治措施与对策为了充分利用海洋空间，现代海洋空间利用除传统的港口和海洋运输外，正在向海上人造城市、发电站、海洋公园、海上机场、海底隧道和海底仓储的方向发展。

人们现已在建造或设计海上生产、工作、生活用的各种大型人工岛、超大型浮式海洋结构和海底工程，估计到21世纪，可能出现能容纳10万人的海上人造城市。我国澳门和日本已经在海上建成了人工岛海上机场。为缓解紧张的陆地资源及减少城市噪音等，日本已经于99年8月在东京湾用6块380米长，60米宽的矩形漂浮钢板拼装海上漂浮机场。

由此可见，随着海洋资源与空间的开发利用，各类海上工程建筑物数量不断增多、规模日益复杂和庞大，保证这些海上工程设施的安全运行及采取海洋工程防灾减灾措施将越来越重要。海岸带和近岸海域是各种动力因素最复杂的地区，但同时又是经济活动最为发达的地区，海上工程建设如果考虑不当将会在一定程度上引发环境灾害。工程设施可能破坏原有海岸带的动态平衡，影响岸滩的冲淤变化。海上回填和疏浚会改变海岸的形态，破坏某些海洋生物赖以生存的栖息地，若对含有污染物的疏浚污泥倾抛处理不当则会造成二次污染。海上石油生产中的溢油事故将对海洋环境造成极其严重的污染。日益增多的海上退役工程设施如果不及时处理也将会逐渐成为海上障碍物以致引起公害。海洋工程抗灾减灾的任务是一方面要保证最大限度地减少自然界海洋灾害带来的报失，另一方面又要避免人为造成的海洋环境灾害。

随着人类对海洋资源的不断开发和利用，海洋环境保护与人类生产实践活动协调发展日显重要。如港口开发中的环境问题，主要内容包括：航道、港池开挖、疏浚引起的泥沙输运及其疏浚物抛放对海洋环境的影响，深水港口水工建筑物、大型人工岛、超大型浮式结构的环境和生态影响；破波带及其附近水域沿岸流对物质输运扩散规律研究；大型海岸工程、岸滩保护和整治工程引起的海域环境的变迁和海岸演变；海岸演变、防护及开发利用新概念的原则与理论，如由于工程措施所引起的海岸动力学、生态学、社会经济学及与环境关系的综合分析与协调。

随着沿海大、中型城市经济建设的快速发展，城平建设中的污水深海排放技术，感潮水域污水多点排放漂移扩散研究，天然海湾、人工湖及人工运河的水质交换能力，人工沙滩的保护措施，滩涂围垦对水域环境的影响等，都将是需要认真解决的问题。

海洋波浪理论篇7

在这方面，重点需要开展的研究课题大体上有三类。第一类课题是海洋环境特征对各类污染物作用的机理和规律研究，第二类课题是海洋工程设施防灾、抗灾和减灾研究，第三类课题是海洋工程及海洋环境工程与海洋环境的相互作用吸防治措施与对策。

一、海洋环境特征

对各类污染物的作用机理和规律研究以海洋流体动力对各类污染物迁移、扩散、转化规律的研究为基础，考虑各种自然环境因素（浪、流、风、光、温度、湿度）、物理因素（扩散、挥发、沉降、吸附、释放）、化学因素、生物因素的作用，揭示污染物在海洋复杂条件下的运动及演变规律，并建立海洋水质预测预报模型。此外，近年来，在我国沿海海域，赤潮频发严重。因此，除了加强赤潮的监测和预报外，也应加强在建立赤潮生长机理和发展规律方面的研究工作。

此项研究应通过现场观测、物理模型实验和数学模拟研究相结合的方法来进行。由于现场观测工作耗资巨大，且受到许多客观条件的限制，所获得的数据往往有许多综合因素的共同作用，很难将其中的单因素影响分离出来，因此，往往只能用它来作为对某一水质预测预报模型进行检验其可行性和精度的一个实例。

用数学模拟方法来建立海洋水质预测预报模型是一个较为有效的方法。目前，在这方面国内外已有不少水质预测预报模型，这些水质预测预报模型大体上都基于以下几方面的模型：水流数学模型；波浪数学模型；液流相互作用模型；近海海域污染物迁移转化数学模型。

在水流数学模型研究方面，对于较大范围的海域，通常可采用深度平均的潮流教学模型，对于紊动影响不显著的海域，可不考虑湍流影响，而对于湍流效应显著的区域，如排污口近区，则应考虑湍流效应。此外，采用坐标变换，可建立一种能够考虑复杂地形和套流效应的三维潮流数学模型，这样才能够较好地重现实际海域的三维潮流特征。在较小范围的水域，水流数学模型可以以N－S方程和通用的k－（湍流模型为基础，针对水温和盐度分层流的流动特性，考虑浮力对紊动的影响，建立用于模拟同时存在温度和盐度梯度这一类密度分层流的k－（单流体数学模型。也可以基于多流体模型的基本概念，分别对两相本身的湍流输运规律以及相间相互作用规律进行模拟，建立两相湍浮力分层流的双流体数学模型。

在波浪数学模型研究方面，可应用BI—CGSTAB法求解由椭圆型缓坡方程离散得到的代数方程组，以提高求解效率。从水波发展方程出发，可导出一种用于大区域波浪变形问题的数学模型。通过引入弱非线性波色散关系，可使双曲型缓坡方程能够有效地考虑波浪的非线性效应。对高阶Boussinesq方程的进一步研究，可使方程的色激性从入水到深水都达到很高精度，并提高方程的非线性精度，可以更精确的计算较深水域波浪的非线性特征。

针对带自由表面的波浪场问题，通过把能有效模拟自由面形态的N—S方程和波能平衡方程的结合，可导出一个能考虑破波能量损失的抛物型缓坡疗程，用这个方程可模拟规则波和不规则波破碎引起的波高变化。建立沿岸流数学模型，可模拟海岸上波高变化和破碎波波高、波浪增减水和沿岸流。

在波流相互作用模型的研究方面，对于弱流情形，可采用一种考虑流影响的修正的合流缓坡模型；对于强流情形，可采用在Botssinesq方程中考虑流影响的模型。可以将辐射应力的计算公式与抛物型缓坡方程中的待求变量联系起来，建立一种辐射应力计算的新方法，用该方法可对较大区域均匀斜坡地形上的波浪辐射应力进行数值模拟。

在近海海域污染物迁移转化数学模型研究方面，基于N一S方程所建立的深度平均的二维应力一通量代数全场模型，可对非对称潮流作用下的侧向岸边排放问题过分数值模拟。以研究近海海域污染物迁移转化的三维预报系统作为目标，在分析近海环境中各种物理、化学和生物现象的基础上，针对近海海域水污染的特点，从三维湍流模型出发，在动量方程中引入表面风应力、底部切应力以及柯氏力的作用；在输运方程中引入反映物理、化学、生物等作用的源、汇项，可建立一个统一考虑物理、化学和生物等过程综合作用的近海海域污染物迁移转化的三维预报模型，它可为环境评价、水质规划、污染控制以及水域排污工程设计等提供重要的科学依据；同时对确定水域环境容量，从而制定水域环境保护策略，也具有十分重要的理论价值和应用前景。

应该指出，在海洋水质预测预报模型研究方面，数学模拟无疑是一种十分有效的手段，但不论是何种数学模型，其模型中所需的必要参数和边界条件的处理是研究水质模型的技术关键，直接影响到水质模型的科学性和预测能力。而这些必要的数据是无法从数学模型本身来取得的，有些可以通过现场观测来得到，但其中一些最基本的卷数是要通过基本机理的研究才能得到，在这方面物理模型实验研究将是一个有效的手段。

能模拟海洋动力因素的先进实验设备，现代化的量测仪器和测试系统是开展物理模型实验研究的必备条件。进一步完善PIV和LIF的浓度场、速度场同步测量系统，可研究非破碎波浪、破碎波浪及波流相互作用下水流的垂直结构，获得流场中水质点速度的空间分布和时间过程；并同步获得波浪及波流相互作用下浓度场的空间及时间变化过程，可用以分析定量污染物团在波浪及波流相互作用下扩散的基本特征和扩散系数。

二、海洋灾害的精确预报及海洋工程设施防灾、抗灾和减灾的研究海洋灾害主要包括风暴潮、海浪、海冰、海啸、赤潮及海岸侵蚀等。

90年代以来，我国海洋灾害所造成的损失每年达上百亿元人民币，是世界上海洋灾害最严重的国家之一。海洋工程结构的投资费用很高，一旦发生破坏，将会造成重大的人员伤亡和巨额财产损失（如1969年渤海冰推倒“海二井”平台，1989年风暴潮损失超6亿元，1991年DB29销管船在南海通台风翻沉等）。当前我国海洋能源开发与海洋空间利用的绝大部分活动是在近海和极浅海海域。为了保证在这些海域所建造的工程设施能够安全服役免遭破坏，面临的首要问题是弄清这一海域中严酷和复杂多变的环境因素。我国东临西北太平洋，每年出现的台风数目占全球的38%，其中对我国可能造成灾害的台风每年有7—8个。每当台风在我国登陆或接近我国沿海通过时，都会在沿岸局部地区产生风暴潮，形成风暴潮灾害。

在我国北方海域（渤海和北黄海），冬季由于受寒潮影响，沿岸地区每年都有结冰现象，结冰严重的年份则出现冰害。若对这些海洋灾害估计不足将会带来巨大的损失。渤海重叠冰与堆积冰的形成，不但可给结构物以强大的冰压力，而且由于冰激引起的振动作用，也会给海洋平台的使用和安全带来巨大的损害。而冰区溢油的迁移规律及预防和清理技术，至今尚未进行过深入的研究。对近岸大面积冰排和海上浮冰，在波浪、潮汐作用下都会引起海冰的断裂，断裂后冰块的尺度直接影响其对结构物的作用。在渤海海域建造的海洋平台，为了抵抗冰害，往往建成正、倒锥体的结构型式，冰排对锥体结构的冰荷载及与其的动力相互作用，也是目前尚未解决的课题。在海冰力学的研究中，除进行理论分析和数值模拟外，实验研究也是一个重要的手段。在实验研究中，模型冰可采用冻结模型冰和非冻结模型冰来进行，它们各有其优缺点，发展这两种技术是海冰力学研究中的一个课题。

我国是一个多地震的国家，海域中时有地震发生。强烈的地震将有可能是海上工程设施的主要破坏荷载。如果一旦在地震中结构物（海洋平台、钻井船、人工岛、输油及输气管道等）发生破坏，除其直接经济损失极大外，其次生灾害——火灾、环境污染等的后果也不堪设想。

近年环太平洋地区地震的频度和强度都在上升，造成重大灾害。大型海上工程在地震作用下的安全性，特别是抗震防灾的基本原理和减震技术措施需要认真研究。海域中的大型海上水工建筑物在地震作用下的响应和振动破坏机理更有待深入研究。日本阪神地震记录资料表明，地震及由此引发的巨浪共同作用对水中和岸边建筑物造成的破坏十分严重。水工建筑物的这类破坏机理，至今国内外对此都很少研究，且由于试验条件的限制，国内外对此方面的试验研究工作开展极少。这是海上水工建筑物抗震研究中的一个新领域。

以下的一些研究内容将是为解决海洋工程设施抗震措施中的关键技术所必需考虑的，如近海环境地震危险性分析，设计地震动参数和频谱特性，强震海底多维地震动及其空间分布规律，地震波传播特性及地震动输入机理；海域中大型海上水工建筑物在地震作用下，考虑周围水介质影响的结构振动破坏机理、振动控制、地震动时颇联合分析模型和输入机制、非线性动力分析和动力破坏试验；核电站海域工程建筑物抗地震性能，海洋采油平台及地下输油管线与地基土动力相互作用，码头及护岸建筑物地震稳定性；海域中水工建筑物的性能设计和地震设防标准等。

海上水工建筑物在长期运行过程中健康状况逐渐恶化，其损伤主要来自两个方面：其一是结构的老化、疲劳、超载、内部损伤（裂缝）、地基沉降变形以及环境的物理化学损伤（低温、冻融、大气侵蚀）等；其二是设计不周或设计标准偏低，施工质量差，原材料不合格，管理维护不善等。大型海上水工建筑物的损伤和事故都将对国民经济的发展造成重大的影响。

因此，发展以下的一些技术和方法将是十分重要的。如在考虑海洋环境荷载在幅值。时间及方向上的随机性所导致结构安全的不确定性情况下，对现役海洋工程结构进行健康诊断和评估剩余可靠度的理论；结构健康状态及损伤检测的新技术和新方法；结构病害治理用的新材料、新技术和新方法；海洋工程结构在多种复杂海洋环境条件下（风、浪、流、冰、地震等）的可靠度和优化理论研究，设计与建造新型抗灾工程结构；研究和设计使海洋工程结构物在设计使用期限内有足够的安全度，而在退役之后又便于拆除的各种工程措施。

为了及时掌握海洋环境的风云变幻和灾害的可能来临，发展海洋环境及灾害的预报技术是非常必要的。为此需要建立以下一些系统，如建立由近海到远海的海洋环境及灾害观测网络、预报与预警系统、沿岸防灾准备和各类应急处理系统；以主要海域和海岸带区域经济发展为背景，进行重点研究，建立数字化的海洋环境信息系统模型与结构；以及建立海岸和近海工程设施防灾减灾数字信息系统，将海岸和近海工程与网络技术人算机技术、遥感技术、地理信息系统、全球定位系统相结合，建立数学物理模型，通过多媒体技术，形象化地描述灾害成因、发生机理、传播规律、模拟灾害破坏的过程，建成智能化的防灾、抗灾和减灾决策支持系统。

三、海洋工程及海洋环境工程与海洋环境的相互作用及防治措施与对策为了充分利用海洋空间，现代海洋空间利用除传统的港口和海洋运输外，正在向海上人造城市、发电站、海洋公园、海上机场、海底隧道和海底仓储的方向发展。

人们现已在建造或设计海上生产、工作、生活用的各种大型人工岛、超大型浮式海洋结构和海底工程，估计到21世纪，可能出现能容纳10万人的海上人造城市。我国澳门和日本已经在海上建成了人工岛海上机场。为缓解紧张的陆地资源及减少城市噪音等，日本已经于99年8月在东京湾用6块380米长，60米宽的矩形漂浮钢板拼装海上漂浮机场。

由此可见，随着海洋资源与空间的开发利用，各类海上工程建筑物数量不断增多、规模日益复杂和庞大，保证这些海上工程设施的安全运行及采取海洋工程防灾减灾措施将越来越重要。海岸带和近岸海域是各种动力因素最复杂的地区，但同时又是经济活动最为发达的地区，海上工程建设如果考虑不当将会在一定程度上引发环境灾害。工程设施可能破坏原有海岸带的动态平衡，影响岸滩的冲淤变化。海上回填和疏浚会改变海岸的形态，破坏某些海洋生物赖以生存的栖息地，若对含有污染物的疏浚污泥倾抛处理不当则会造成二次污染。海上石油生产中的溢油事故将对海洋环境造成极其严重的污染。日益增多的海上退役工程设施如果不及时处理也将会逐渐成为海上障碍物以致引起公害。海洋工程抗灾减灾的任务是一方面要保证最大限度地减少自然界海洋灾害带来的报失，另一方面又要避免人为造成的海洋环境灾害。

随着人类对海洋资源的不断开发和利用，海洋环境保护与人类生产实践活动协调发展日显重要。如港口开发中的环境问题，主要内容包括：航道、港池开挖、疏浚引起的泥沙输运及其疏浚物抛放对海洋环境的影响，深水港口水工建筑物、大型人工岛、超大型浮式结构的环境和生态影响；破波带及其附近水域沿岸流对物质输运扩散规律研究；大型海岸工程、岸滩保护和整治工程引起的海域环境的变迁和海岸演变；海岸演变、防护及开发利用新概念的原则与理论，如由于工程措施所引起的海岸动力学、生态学、社会经济学及与环境关系的综合分析与协调。

随着沿海大、中型城市经济建设的快速发展，城平建设中的污水深海排放技术，感潮水域污水多点排放漂移扩散研究，天然海湾、人工湖及人工运河的水质交换能力，人工沙滩的保护措施，滩涂围垦对水域环境的影响等，都将是需要认真解决的问题。

海洋波浪理论篇8

1关于深海漂浮式能源中心的设想

现有的各种可再生能源中，风能是除核能外，技术最成熟、最具开发条件和最有发展前景的发电方式，同时风能资源蕴藏量也特别巨大，远海风能储量则更多.

自20世纪90年代起，国外开始建设海上风电场.海上风电场以它独特的优势，正日益成为未来风力发电的发展方向.由于绝大部分海上风能集中于水深超过60 m的区域，所以海上风电场的建设由浅水的近海区域发展到深水的远海区域已成必然趋势，但是如果按照目前近海风电场采用各种固定在海底的贯穿桩结构（如重力基础、单桩基础或多脚架基础）的传统方法，整个风力机基础的制作成本将随着海水深度增加而急剧上升，这将会使深海风电场的建设在工程和经济两方面都变得不可行.

同时，由于漂浮式海洋工程平台造价高昂，因此在漂浮式风力机平台上集成海流和波浪发电，从而形成深海漂浮式能源中心将成为合理的选择，对此国外已有相关研究.

综上所述，深海漂浮式能源中心是深海能源开发利用必需的装备，是深海风电场和大容量波流电站应用的基本核心，也是产品技术含量高的综合集成式成套发电设备.同时，深海漂浮式能源中心相关技术是新能源技术和海洋工程两大学科领域相结合的研究课题，可在一定程度上缓解我国能源分布与需求格局存在的巨大矛盾，因此也是一种具有战略意义的新能源形式.对其深入研究对于充分利用我国广阔的海洋国土，缓解我国东部发达地区能源严重紧缺的现状，均具有重大的理论、经济和社会意义.

2现有海洋工程水池及其不足

早期的试验水池都是为了满足船舶工业的需要，水池长而且狭窄，安装有拖曳模型和自行拖车.后来为了探究船舶操纵性，开始出现圆形水池.海洋工程平台一般为无航速装置，采用固定锚泊安装，波浪和海流无特别流向.因此原有船舶水池无法满足系泊系统测试，改变波浪入射角必须重新安装模型，这样会有较强的池壁效应，不再适合海洋工程构筑物的水池试验.自20世纪70年代起，开始出现了用于近海石油开发相关试验的水池，即海洋工程水池[5].在挪威、美国、荷兰、日本、加拿大等海洋科技发达国家，海洋工程水池作为发展海洋高新技术必不可少的配套基础研究设施，由国家投资建设.代表性的海洋工程水池概况如表1所示.

表1国外海洋工程水池概况[6]

Tab.1

Overview of foreign ocean basins

上述水池虽然可进行深海漂浮式风力机乃至深海漂浮式能源中心的水动力学试验，但因它们主要面向海上钻井平台等复杂深海结构的研究，故试验费用高且针对性不强.

目前没有可直接用于海上漂浮式能源中心的专用海洋水池，表2给出了类似的关于海上漂浮式风力机的试验技术参数.

表2漂浮式风力机模型试验技术参数[7]

Tab.2

Technical specifications of floating wind turbine hydrodynamic experiments

由表2可见，模型缩尺比在1∶20到1∶150不等，估计随着风力机和其它波流发电装置的发电功率的增大，未来的模型缩尺比将会超过1∶150.因此，小模型水池试验的研究将会是未来风力机水池试验的一个重要挑战.

针对深海漂浮式能源中心水动力试验这一背景，本文参照已有的研究和相应的国家标准[8]，提出了一种新型的风浪流联合试验装置，并对该装置的各子系统部件和测量控制系统进行了详细的探讨.

3风浪流联合试验装置及其控制系统

3.1风浪流联合试验装置

风浪流联合试验装置主要用来模拟深海漂浮式风力机的工作状态，如模拟海上的风、浪、流等[9]，因此，可将其分为四个部分，即：水深调节系统、造波-消波系统、造流系统和造风系统，如图1所示.

图1风浪流联合试验装置示意图

Fig.1

Schematic diagram of the test equipment

3.1.1水深调节系统

水深是指海洋静水面至海底的垂直距离，通常称为海洋平台的工作水深.该装置为了满足不同水深的模拟要求，为2 m深的深水池配备4 m深的假底.假底由混凝土浮箱连接组合而成.在假底下部安装多根钢缆，通过安装在池边的多个空压卷扬机装置调节钢缆长度来实现假底的上下移动，从而达到调节水深的目的.对于一般水池试验，模型缩尺比通常为1∶50～1∶70，水池模拟海水深度可达300～420 m；若采用小尺度模型试验，模型缩尺比最小可至1∶150，水池模拟海水深度最大为900 m，均满足深海漂浮式风力机的要求[10].同时，可在假底加装振动装置，用于模拟海底地震.

3.1.2造波-消波系统

水池内尺寸为15 m×2.5 m×3 m（水深2～2.5 m），整个造波-消波的过程都在水池内完成，具体可分为造波系统和消波设施两部分.

（1） 造波系统

海洋工 程水池造波系统的核心装置是造波机.我国在造波方面的研究工作从20世纪50年代起步，最初使用的造波装置主要是简单的电气装置.到70年代中期，开始逐渐采用模拟信号控制.随着科技的发展，如今已完全采用计算机进行造波控制.目前，主要的造波机类型可分为摇板式、推板式、冲箱式、空气式以及多单元（也称蛇形）造波机.该试验装置拟采用简单可靠的摇板式造波机.

摇板式造波机的主体部分是一框架式板块结构，其下缘与固定支座采用铰接的连接方式.在驱动机构带动下，造波板绕支座上的铰接点作往复摆动，使板面前方的水抬高或下降，在水面上形成波浪.调节或控制摇板的摆幅和周期（频率），可产生不同波高和波长的波浪.摇板式造波机结构简单，质量较小.采用液压传动机构，既可调频又能调幅，用于制造不规则波，比较方便.

（2） 消波设施

消波设施的原理是通过消波构造装置击碎或破坏波浪形状从而达到消除波能和减少回波的效果.试验水池的消波设施主要有消波器和消波滩（岸）两大类，有网格式和筒阵式等形式.消波器的特点是体积较小，可方便拆卸，但消波效果一般；消波滩体积大，消波效果较好，但需要占用较大的水池空间，建造成本相应较高.国内外大多数水池均采用消波滩形式.本文试验装置亦采用这种消波方式[11].常见的消波滩是抛物线形斜面消波滩，其斜面坡度大小直接影响消波效果，坡度越平缓，反射回波越少，但占用的平面尺寸较大，因此，可在满足消波效果的基础上把坡度取得适当陡一些，使消波滩下缘延伸到水中一定深度即可终止，如图1所示.

消波滩的消波过程是一个复杂的非线性过程，无法通过数学手段解决.荷兰水池的消波滩是通过在高速水池中针对不同坡度、不同吃水深度、不同表面阻尼系数和不同长度进行试验而最终确定形成的.即使如此，也很难保证达到100%的消波效果，而且它也无法解决水池侧壁和模型的反射回波问题[12].

3.1.3造流系统

每个海洋工程水池都要配备造流系统.该系统的造流能力是决定海洋工程水池先进性的重要方面.目前常用的造流系统有池内循环、假底循环与池外循环三种形式[9].在该试验装置中由于需要模拟深海海流，需要将漩涡、回流等扰动消除在水池外，以保证试验区域流场的均匀度和湍流强度等特性满足模型试验要求，故而选用池外循环[13].其工作循环为：水流由水池外大功率水泵驱动后，经过管路和进水廊道进入水池，再经过水池对面的出水廊道返回到管路中，形成一个完整的循环过程.在深水池外的进水和出水廊道内，设置有多种整流设备，以使高速水流进行整流后进入水池，因而具有较为均匀的流速分布，且水流的湍流强度也能满足试验要求.

3.1.4造风系统

风是影响海洋工程的重要环境因素之一.在对深海漂浮式风力机的工作过程模拟中，造风系统是必不可少的.该系统包括变频风机、整流器、风速仪以及计算机数据采集和控制系统.风机悬挂在一个可旋转的吊架上，可使风向与浪向成任意夹角.整流器放置在风机前方，目的是使流至风力机的风是均匀的.通过风速仪与测控系统可调节风速大小，模拟不同风速下风力机工作状态.

3.2测控系统及其主要仪器

测控系统是该试验装置最重要的部分.对于深海漂浮式风力机水池试验，主要目的为测量某固定风速、流速以及波浪条件下的风力机浮台的响应特性.因此，需要配备风速测控系统、流速测控系统、浪高仪、非接触式光学六自由度测量仪器以及其它仪器.

3.2.1风速测控系统

该系统用于调整、控制风速.其作用原理为：首先选定试验所需模拟风速的大小，然后通过风扇造风，并在整流器后放置风速仪，测量入流风速，最后根据实测结果调整造流风扇的变频器，使风速始终稳定在要求的范围内[14].风速测量拟采用AR846型风速测量仪.该仪器与计算机直接连接记录反射时间过程.风速仪量程范围为0.3～45 m·s-1，解析度为0.001，测试相对误差小于3%.

3.2.2流速测控系统

该系统用于调整、控制海流速度.其作用原理与风速测控系统基本相同，即：首先选定试验所需模拟海流的速度大小，然后通过流速仪测量海水的平均流速，最后根据实测结果调整造流水泵的功率，使流速始终稳定在要求值.流速仪拟采用挪威Nortek公司生产的ADV超声波三维流速仪.该仪器流速测量范围为0.005 ～1.0 m·s-1，它在水中含有足够微小粒子的条件下测试相对误差小于1%，足以保证测量所需大小与精度.

3.2.3波浪测量仪器

为了确定波浪条件，需要已知波浪的波谱、浪高和频率.由造波机可得到波谱，而浪高和频率则需要通过波浪测量仪器得到.波浪测量拟采用DS30型浪高水位测量系统.采集仪内置模/数转换器，巡回采集各通道数据，单点采样时间间隔为0.001 5 s （约666 Hz ）.该系统可同步测量多点波面过程并进行数据分析，每次试验前进行标定，标定线性度均大于0.999.为了测量频率，并考虑到浮台对波浪的影响，需要多个浪高仪，最多时需要12个.

3.2.4光学六自由度测量仪器

该仪器是本文试验装置中最为重要的测量仪器.该仪器主要利用图像处理和立体视觉技术对试验平台进行非接触式测量，实时得到平台的六自由度，即纵荡、横荡、垂荡、纵摇、横摇及首摇的运动轨迹，且对浮体的移动没有任何影响.根据其测量结果可对浮台进行RAO频域分析.本文试验拟采用HU型船运动量（六分量）测量系统，它由采集仪、2台摄像机和船标组成.船标上安装有4个红灯、2个蓝灯，固定于平台上.1号摄像机安放于平台的正上方，观测4个红灯的移动变化.由软件计算出平台的纵荡、横荡、纵摇、横摇和首摇5个分量.2号摄像机安放在平台尾部延长线上，观测2个蓝灯的移动变化，计算出平台的升沉.

传感器的量程是可变的，可通过调节摄像机的变焦来改变量程.因为6个灯的空间尺寸是固定不变的，因此量程改变无需标定.

3.3其它仪器

3.3.1系泊拉力测量系统

系泊拉力的测量拟采用2008型缆力测量系统（32通道）.该系统通过USB接口与计算机相连，采样时间最小间隔为0.001 s （1 000 Hz ），采用LA2型拉力传感器测量系泊拉力.该系统可同步测量多组缆绳拉力.LA2型拉力传感器是应变式的，使用350 Ω应变计，组成全桥电路，具有良好的温度特性.LA2型拉力传感器的量程为19.6 N （2 kg ）.

3.3. 2波高测量系统

目的在于提供一种能快速、多点检测波高，并对采集的信号进行实时分析控制的波高测量系统.波高测量系统包括若干波高传感器、与各波高传感器对应的检出电路、放大电路、A/D转换电路、稳压电源和计算机；波高传感器的信号输入到检出电路，经放大电路、A/D转换电路输入计算机.

3.3.3摄像机

主要用于模型试验过程中的摄像.

4试验装置功能

该试验装置可模拟深海条件下的风、浪、流，从而进行风力机浮台响应特性的测量与系泊拉力特性的研究，也可进行浮台倾覆试验.对于某些海上作业平台等简单对象，也可进行一些模拟分析.

4.1不同载荷条件下海洋平台响应与系泊拉力特性

可采用不同类型浮台结构（如单柱平台、驳船平台、Spar平台等）测量平台的六自由度响应特性以及系泊的拉力特性；也可调整工况，测量在风流、风浪、浪流乃至静水影响下，浮台的六自由度响应特性与系泊拉力特性；还可测量在极限工况，如百年一遇的海况下，浮台的六自由度响应特性与系泊拉力特性[12].

4.2海洋平台大载荷倾覆试验和破仓试验

在一定条件下，对平台模型逐渐加大风速，可测出随着风速的增加浮台动态响应的变化.通过不断加大风速，最终可得到浮台所能承受的最大风速，即倾覆风速.也可将平台部分舱体注水，研究平台的破仓水动力特性.

4.3深海漂浮式能源中心的性能试验

该试验系统可模拟深海条件下，进行不同形式风力机、振荡水柱波力发电机和海流发电机的性能试验；也可模拟单一或叠加极端载荷条件下，进行深海漂浮式能源中心的整机动力学特性试验.

4.4其它水动力学试验

由于试验装置可调节试验水深、模拟海底地震，故可进行变水深平台水动力或系泊特性试验，以及海底地震的平台水动力或系泊特性试验.

5结论

本文提出了一种新型简单实用的风浪流联合试验装置，并详细阐述了其结构组成及测控系统与测量仪器，同时介绍了该装置所能进行的各种试验项目.该试验系统可用于模拟深海条件下的风、浪、流，从而进行风力机浮台响应特性的测量与系泊拉力特性的研究；用于测量不同载荷条件下海洋平台响应与系泊拉力特性；可进行海洋平台大载荷倾覆试验和破仓试验；可模拟深海条件下，单一或叠加极端载荷条件时深海漂浮式能源中心的整机动力学特性；也可进行变水深平台水动力或系泊特性试验以及海底地震的平台水动力或系泊特性试验.该试验装置对于深海漂浮式能源中心的研究具有非常重要的作用.

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海洋波浪理论篇9

【关键词】：Fluent、动网格、推波板、造波、双频波

中图分类号：TP31 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（c）-0000-00

中国的经济发展其不开海洋的开发利用，目前各个国家也都十分重视海洋资源的利用。而波浪运动在海洋能量资源中起着举足轻重的作用，它既可以对人类生命财产造成极大威胁，又可以作为清洁能源改变人类的生活。因此对于合理利用波浪的研究成为一直以来人们密切关注的话题。波浪是一种规律性、周期性起伏运动，受风向及大气压变化等因素的影响。但随着海洋科学技术和计算机技术的快速发展，相信人们可以通过更好的了解利用波浪来造福人类。

1、 数学模型和数值方法

推波板造波法是物理模型实验中常使用的方法，应用在数值模拟中，即为数值水槽设置动边界即可。根据线型造波机理论，往复周期运动的推波板可以制造出单频波：

（1）

其中： 为推波板运动的角频率，同时也为所造波的角频率， ； 为所造波的波数， ； 为推波板冲程； 为水深。

根据公式（），我们可以推出，为制造出波高 的单频波，推波板的运动为：

（2）

（3）

其中： 为推波板的运动速度。

本文设定数值水槽左边的固壁边界为动边界。当动边界的运动幅度超过一个网格时，必须采用非结构网格，以此能够实现网格重构。

以上为推波板造波法制造单频波的参数设定。对于物理实验中模拟不规则波，往常人们通常采用线性叠加的方法。将海浪视为一个平稳随机的过程，它可由多个（理论上应为无限多个）不同周期和不同随机初相位的余弦波叠加而成[1]。但这种方法没有考虑不同频率的波之间的相互作用。Sch?ffer[2]以stokes有限振幅波理论为基础，提出不规则波的二阶造波理论，又在此基础上，发展了多向波的二阶造波理论[3]。本文即运用Sch?ffer的二阶造波理论，得出能够造出二阶双频波的推波板运动方程[4]，在此基础上编写UDF。

2、 结果对比

工况：周期为2s和2.5s的两列波相互作用，其波高皆为H=0.01m，水深d=0.45m。水槽长50m，高0.75m，坐标原点位于自由液面上。在13m、25m处检测自由液面变化。模拟结果如下图（a）、（b）所示：

图（a） 13m处计算结果与理论解对比

图（b） 25m处计算结果与理论值对比

3、 计算结果分析

由图可知，周期为2s和2.5s的规则波相互作用，13m处的计算结果在10s时趋于稳定，并略小于理论值。其原因为由于水的粘性作用只是波浪传播有能量耗散，而且由于波波相互作用衍生出其他频率的波，根据能量守恒定律，也会导致波高小于理论值。 25m处计算结果，随着波浪传播，波波相互作用更加显著，则有明显的衰减现象。

4、 结论

本文基于Fluent流体分析软件，运用软件自带的用户自定义函数功能，并通过stokes有限振幅波理论，推出二阶造波方程并运用到推波板造波方法中，可以成功模拟出两列波的传播。模拟值与理论值相比略小，其与实际相符，同时证明了波传播中能量的耗散，以及波波相互作用可以衍生出其他频率的波种。

参考文献：

[1] 俞聿修. 随机波浪及其工程应用[M]. 大连理工大学出版社， 1992.

[2] Hemming A. Schaffer. Second-order wavemaker theory for irregular waves[J]. Danish Hydraulic Institute， accepted 30 November 1994.

海洋波浪理论篇10

月有阴晴圆缺，海有潮起潮落。朝涨夕退的潮汐背后难道有什么神秘的力量在牵引吗？

放眼远望那一望无际的海面，即使是无风的天气海面依旧波光粼粼。口口相传数百年的“无风不起浪”难道是错的吗？而那不知疲倦的海浪又是从哪里来的呢？

以上三个非常普通的例子引出了海洋技术专业研究的三大核心问题――环流、潮汐、波浪。

学海无涯数学作舟

海洋技术实质上就是以物理学的理论、技术和方法，研究海洋中的物理现象及其变化规律，以及海洋水体与大气圈、岩圈和生物圈相互作用的科学。潮汐和波浪的情况让工程师们决定港口应该建在哪，航道应该挖多深。大洋环流可以帮助渔民们确定渔场的位置，在哪能省时省力地打到更多的鱼。可以说海洋技术是人类社会一切海洋活动的基础。

作为一个海洋学学生，有三样技能学好了能支持你一生的事业。首先，扎实的数学功底能保证你不在这片数学公式模拟的大海中迷失方向。海洋技术虽然以海洋为核心，但是毕竟人类并不能完全通过实验来了解浩瀚的海洋。数学是人类探索自然的强大的武器，所有的海洋现象都能被描述成海量的数学公式。在海洋技术这片知识的海洋中数学便是你的诺亚方舟，没有它你便寸步难行。从此刻开始高数、线代、概率论已经不再是一种工具，而成为你生命中不可或缺的一部分。有了他们，那些波澜壮阔的海洋奇观会在你的演算纸中一一展现，你会领悟看似普通的自然现象中蕴含的物理原理。而这种深厚的数学功底也可成为你今后在理工科中自由转换的坚实基础。

其次，计算机水平决定了你能在这个行业走多远。海洋技术中所有演算和模型的模拟都要依靠计算机来完成，在这里你可以接触到更多的计算功能和有强大图形模拟功能的编程语言，以至你甚至可以与计算机专业的同学在编程的某些领域一较高下。

再次，学术著作的阅读能力取决于你的英语水平。由于我国的海洋事业起步较晚，大部分顶尖的海洋著作都属于其他国家，所以英语应用的要求也要强于其他专业。

最后，既然专业与水有关，水力学等相关的课程学习也为海洋技术的学生投身港口海岸工程和海洋勘测等工作提供了专业基础。

虽然海洋技术的学习内容能够被概括，但是其中的艰辛与快乐却不是用短短的几句话能说得尽的。因为想要完全融入一个数字和公式的世界要经历艰苦的过程。我们的教授曾经说，他每天晚饭之后的生活就是点一根烟、泡一杯茶，坐在写字台前推导泥沙方程。但正如蝶蛹需经历破茧才能成蝶，你一旦真正融入其中便会深深感觉到其中的乐趣：你会为解出一道难题而眉飞色舞，也会因百思不得其解而懊恼不已。你会渐渐地喜欢上课程所学的知识，课本上不再是文字和数字，而是一幅波涛汹涌、潮起潮落的壮丽海图。

知行合一，毅力支撑海洋人

如果仅仅把海洋技术当作一个枯燥的尖端数字游戏，那也有失偏颇。因为海洋资料并不会凭空出现，而是需要海洋工作者通过观测一点一滴收集起来的。如果把公式的推导、计算机的图形模拟当作“运筹帷幄”，那么出海观测便可谓“冲锋陷阵”。

我们在大三时曾出海进行了一次真正的“战地演练”――出海观测日潮。除了远洋科考，一般情况下近海观测使用的是百余吨的小船，但由于当时港口风浪较大，学校为了保证学生的安全选择了较大的船只。虽没有驶出港口，可即使处在防波堤的保护之下，船体还是在狂风中摇晃不止。强烈的晕船现象让许多同学吃尽了苦头，但是大家仍然忍受着晕船带来的痛苦坚持实验。从仪器的组装调试，到设备的投放回收，再到数据的按时记录，在24小时的日潮周期里，大家都以一个真正海洋工作者的标准要求自己，将我们曾经学到的所有知识都浓缩到了这宝贵的24小时中。

出海实习的经历让大家领悟到海洋技术的发展不仅归功于那些理论的发现者，也属于每个默默辛勤工作的海洋人，他们记录的每一个数据都推动着这个学科的发展；海洋技术也不仅只是数学与物理的集合，而是真正通过艰苦探索发展起来的学科。理论与实践并重，寂寞与挑战并存，而这也似乎重复了那个亘古不变的真理――知行合一。

选择一段自己的人生

海洋技术专业本身的初衷就是培养精英科研人才，我们也自然希望自己都能成为顶尖的海洋学者。但是每个人资质、性格的不同，决定了并不是每个人都能成为科学家，从这时我们就要对自己的就业之路作出重要的抉择。

走上科研这条路的往往都是那些甘于寂寞，能够踏踏实实地做学问的人。由于国内的海洋技术研究还有很多空白，你完全可以通过自己的努力去开创属于自己的一片天地，说不准在若干年后海洋技术专业的课本中会出现你提出的理论。类似中国海洋大学、河海大学这样的高校，都很适合继续深造。

进入各种海洋研究所如中国科学院海洋研究所（一所在青岛、二所在杭州，都是好地方）这样的科研单位开创你的事业，或进入国家海洋局系统成为一名公务员也是不错的选择。虽然回报周期较长，但绝对是偏爱舒适生活与较高社会地位，并且不喜欢风吹日晒的同学的不二选择。

海洋技术教学基础深厚的特点，也为广大同学在“涉水”各行业中得以“华丽转身”提供了帮助。“宽口径，多应用”确实是海洋专业教育一个显著特点。经过笔者调查，这种情况一般分为三类，也有着不同的就业技能要求，我以自己的认知和相关资料作了一个总结。

工程转型：这类人往往喜欢各种工程建设，对港口航道等方面有着特别的热爱。这方面可选择的单位有中国港湾集团公司（北京）、中交集团第一港务工程局（天津）、中交集团第二港务工程局（青岛）等央企。这些“三高”（高收入、高就业、高劳累）企业真正实现了那些追求生活充实、富有挑战的人的理想。

规划转型：这些人喜欢在办公室里“运筹帷幄”，在图纸上规划未来建设的港口航道。如果你属于这类人，那请在本科期间扎实学好数学、英语、水力学知识，毕业后争取报读港口航道工程方面的研究生。毕竟大多数设计单位要求的学历都较高，研究生毕业之后比较容易进入中交集团的各个设计院。收入与工程方向的同学相差不多，却不用每天风吹日晒，而且会有更好的发展前景。