徐化奎
（中海石油（中国）有限公司海南分公司，海口 570100）
海洋占据了地球上70%多的区域，因此其中蕴含着庞大的资源来为国家与行业发展提供能源。海洋工程的建立可以帮助我国更好地开发相关的海洋资源，但是在海洋工程结构物的建立中，畸形波对于海洋平台工程的结构物会造成严重的影响，需要对其进行详细地控制，以保证海洋工程的良好运行。
1 畸形波的生成机理
畸形波是海洋波浪运动中的一种波形，其自身的波峰较高，并且波高较大，很容易对海洋工程结构物造成严重的影响。在畸形波的产生过程中，因为其自身的产生几率相对较小，因此在畸形波的产生过程中，其自身的生成机理也比较模糊。一般情况下，相关人员认为畸形波在实际的运行中主要分为2种，其中一种是线性模型，另一种是非线性模型，在对2种模型的探究与分析中，相关人员对于畸形波生成原理的看法逐渐形成[1]。主要可以分为外界因素与内部作用，外部因素就是海底的地形与海洋的洋流，在强风暴的作用下，畸形波也有可能在海洋中形成。一般情况下，外界条件形成的畸形波的波高都会更大，并且自身的砰击作用也会更加强烈。在畸形波的生成中，其内部条件对于畸形波的生成主要依靠线性作用，其依靠的是波浪内部的线性叠加作用及调制的不稳定性，在这2种畸形波生成原理的内在原因影响下，畸形波会通过其不断地叠加影响而生成。现今对于畸形波生成主要机理的研究仍然未形成统一的标准，并且在实际的畸形波生成过程中，其自身的生成机理较多，仍未形成有效的原因，因此畸形波的模型建立可以为畸形波的生成条件及产生的砰击作用的数值进行分析提供有效的原型，进而加强对于畸形波的进一步研究。
2 畸形波对海洋工程结构物砰击作用的数值分析
2.1 波浪水槽基础理论
2.1.1 控制方程
畸形波对海洋工程结构物产生的砰击作用进行探究，在数值波浪水槽理论的影响下，其自身的控制方程也需要与水体的流动情况和结构物的情况相吻合。在方程的建立与设置中，需要将u作为速度矢量，将t当作时间，v为运动粘性指数，f表示质量力，p为压强。将相对应的变量设置好之后，需要根据相应的要素与数值来建立起控制方程。因为畸形波在实际的海洋工程结构物的砰击作用产生中是动态的，因此控制方程的实际形态也是动态方程，在u为0的条件下，将u与时间t相比，加上速度矢量u的自身实际数值与其设定数值的积。其等同于质量力f减去压强p与其标准设定值的相除结果，最后加上运动粘性系数v与设定系数u之间的积。两端最终形成的方程就是最终畸形波对海洋工程结构物砰击作用数值分析的控制方程[2]。
2.1.2 边界条件与初始条件
波浪自身的边界条件与初始条件在畸形波的计算中对于计算结果的影响较大，在波浪水槽理论的应用中，其实际畸形波的初始条件与边界条件在实际的运用中需要建立起一个水槽的边界来确认边界条件。在边界条件的确认过程中，其实际的边界条件需要对水槽的底部、入口边界及出口边界进行确认。在水槽的边界中，会将底部设置为边界的壁面，在该部分中，波浪的水流速度接近于0，在水槽的设置中，其出进水口在实际的应用中都是正常运行中，并且因为水深的原因，部分边界需要对其压强的情况来进行考察。初始条件是针对海洋平面上设置的平面，在畸形波砰击作用的影响下，海洋工程结构物必然会出现变动。想要精准地测量波浪在形成畸形波时的实际初始条件，需要对水槽内部空间里贴近波浪表面的部分设置为水流速度0，而该片区域在水槽中就是静水区，当波浪开始运动的时候，进出水口自身对于波浪的传输与运送是十分快速的，想要保证实际畸形波的检测额，需要对波浪运动过程中进出水口的压力及流速变化进行分析与检测。静水面的设置也能为波浪运动提供较好的波浪传输条件，继而对之后的畸形波对海洋工程结构物产生的砰击作用进行分析[3]。
2.1.3 自由表面处理
在畸形波砰击作用的数值分析中，因为畸形波自身的多变性及强烈的冲击性，需要加强对于畸形波在实际应用中的操作作用。在上文中对波浪水槽理论进行分析的过程中，可以发现现今的水量处理及畸形波的生成需要确认相应的信息之后才能开始计算。静水面是畸形波砰击作用中的一个重要因素，确认了静水面的位置，将其流水的速度设置为0，就可以在之后的畸形波砰击作用的分析过程中对其进行良好的控制。有了静水面，就代表波浪中含有自由表面，这部分表面的水流流向以及水流的速度并不固定，因此才被叫做自由表面。在自由表面上，相关专家可以通过自由表面的情况借助计算方法对其进行计算与分析，在实际自由液面的计算过程中，一般会使用VOF计算方法，这种方法的计算结果相对准确，并且计算的步骤相对较简洁，使用范围比较广泛。在使用中，其会将水槽内部的波浪划分为多个网格及单元格，在不同的单元格内会充满一部分水，VOF计算方法就是对充满了单元格内部的气体及水的填充程度来进行计算。在VOF计算方法中，其会将单元格内填充的水与气体之间的数值以f代替，当单元格内部充满气体的时候，其数值为0。如果在单元格内充满了水，其实际的数值就是1，但是在畸形波的自由表面处理中，其水槽限定区域内部的单元格充满的既不是纯水也不是纯气体，其包含着的是水气结合体，因此在计算中可以设定VOF计算方法的区间为0～1，继而可以对自由表面中的畸形波形成情况进行分析与探究[4]。
2.1.4 湍流模型
在海浪的运动过程中，其在大部分时间内都处于流动的状态，而在流动过程中，根据波浪运动的剧烈程度不同，其体现出来的状态也不同。在海浪自身的运动状态比较剧烈的时候，其可以被称为湍流。而湍流因为自身的流速相对较大，并且在流动过程中具有较强的冲击力，因此在实际的湍流计算过程中，其能够符合畸形波的生成条件。湍流模型也可以为畸形波自身产生的砰击作用提供比较精准的计算数值与计算条件。在湍流模型的建立中，其自身的建立可以被分为许多不同类型的模型，主要分为3种。第一种模型是标准的湍流k-ε模型，其需要将k作为湍流动能，将ε作为湍流动能方程中的方程表达符号。将流体密度与动能G相互结合，并且在实际的湍流动能计算中将湍流动能的计算分为因过度扩散引起的动能、因速度梯度引起的动能和因浮力引起的动能。这3种动能因素就是湍流动能方程中的变量。
2.1.5 造波与消波方法
畸形波的生成及其砰击作用的具体数值需要造波与消波共同作用，在波浪水槽中，可以借助水槽中壁面的作用对其中的波浪进行造波与消波处理。在处理过程中，可以将水槽中的区域分为3种，分别是造波区域、作用区域及消波区域。在造波区域中，其实际的造波过程中需要在壁面边界上产生反射波，通过波浪在壁面上不断地产生反射波，可以实现线性叠加，将相应的波浪叠加起来形成畸形波。畸形波会在水槽内部实现自身的位移及对其他水域的影响。在边界条件中对水槽的边界条件进行设置，因此在实际的波浪水槽运行中，其会通过边界的消除方法将相应的畸形波消除，实现消波的过程。这种操作能够在波浪的造波与消波过程中实现对畸形波自身砰击作用的详细探测，加强畸形波砰击作用对海洋工程结构物造成的影响分析。
2.2 畸形波数值模拟
畸形波自身的模型建立中，需要将ε作为实际的波陡数值，将t作为聚焦时间、以x作为聚焦位置，之后针对初始的波幅进行规定。在建立过程中，能够得到的相应方程表达式为，在得出相应的方程表达式之后，可以将其带入到数值模拟的过程中去。
2.3 畸形波对三维平板的砰击作用数值分析
2.3.1 聚焦点
在经过畸形波的数值模拟分析之后，可以对其自身产生砰击作用的情况进行分析。最先需要分析的就是聚焦点位置对畸形波砰击作用产生的影响，在畸形波产生的过程中，其自身的聚焦点位置代表着畸形波在运动过程中对海洋工程结构物表面产生力的作用的点。因此在畸形波的运动中，其自身的聚焦点位置不同，其在实际的运动中产生的砰击作用的效果就不同。在固定的波浪与气隙条件下，畸形波的聚焦点位置对于海洋工程结构物造成的砰击作用是不同的。在测试中，对于船舶的不同位置进行了聚焦点位置砰击作用测试，在船舶头部位置时候，畸形波造成的砰击作用压强峰值约在1.55 kPa左右，而随着畸形波在运动过程中不断地对着测试的结构物产生一定的冲击，受到砰击作用的位置的压强峰值也产生了一定的变化，但是最高并未超过2.43 kPa，最低不小于1.2 kPa。因此在畸形波的砰击作用数值分析中可以得知，聚焦点位置能够对相应的砰击作用产生一定影响，但是影响程度较小。
2.3.2 相对气隙
相对气隙是畸形波砰击作用中畸形波与结构物平面之间的位置距离，在相对气隙的变动中，畸形波的动能及砰击作用时间会发生比较明显的变化。在相对气隙抨击作用的测试中，其实际的相对气隙数值变大的时候，其自身砰击时间减少，而且在畸形波砰击过程中，其自身的压强逐渐降低。与此同时，可以通过测试中相对气隙的变化发现，畸形波自身的实际砰击作用中，其砰击作用力的峰值与最大湿面积会随着相对气隙的提升而出现降低的情况，但是其砰击作用的发生时间正在逐渐缩短。因此经过上述的测试之后可以得知，在相对气隙减小的时候，畸形波对海洋工程结构物的冲击作用提升，而且砰击作用的发生时间也在降低，同时还会发现在海洋工程结构物中，其自身的平面湿面积也随之提升[5]。
2.3.3 相对板长
相对板长是海洋工程结构物在受到畸形波的砰击作用时的板长距离，在受到畸形波的砰击作用的过程中，随着相对板长的逐渐增加，会发现畸形波在砰击作用中造成的冲击力会逐渐提升，在板长数值较大的时候，畸形波自身的波长会受到相对板长的数值影响，畸形波会在结构物的平板上产生较大的冲击力，造成整体结构物的平板底部出现较大的荷载。在相对板长增加的时候，平板的最大压强也在逐渐增长，因为在畸形波的砰击作用中，相对板长为畸形波在砰击过程中的形成提供了较大的湿面积，这种湿面积的提升对于畸形波在结构物平板上造成的压强来说有着巨大的提升作用。因此在相对板长的数值提升过程中，其会造成湿面积及平板压强的增大，进而导致海洋工程结构物自身在畸形波的砰击作用下逐渐出现砰击作用增大的情况。
2.3.4 迎浪角
迎浪角对于海洋工程结构物受到的畸形波砰击作用有着一定的影响。在迎浪角为0°的时候，结构物自身在畸形波的影响下受到的冲击力约为2.098 kN，而且随着迎浪角的度数逐渐增大，会发现整体的结构物在畸形波砰击作用中受到的冲击力逐渐增大。但是其自身受到砰击作用的时间也在逐渐增长，这种情况下，因为砰击作用的时间增长，畸形波能够在运动中产生更加强力的动能，进而造成海洋工程结构物受到的冲击力逐渐增大。而在迎浪角的角度提升过程中，其自身的压强开始从2.2 kPa降低到2.07 kPa，其变化规律与冲击力的变化规律呈现出相反的情况。在实际的畸形波的砰击作用中，海洋工程结构物自身承受的水体压强在实际的运行中会因为迎浪角的增大而降低，而其自身受到的砰击作用的冲击力会随着迎浪角的增大而增大。
2.4 畸形波对垂直板的砰击作用数值分析
在进行畸形波对垂直板砰击作用的数值分析时，参考了大量的国内外文献，其中结合实验室和数值水池的运用进行了分析，在畸形波的机理及模型研究方面不太成熟，如果采用商业势流或者CFD求解对其进行分析，则无法考虑到畸形波强非线性及在实验期间的浪砰击效应。因此，基于畸形波在浪砰击期间具备在短时间之内改变局部结构，从而影响流畅状态及压力的特点。在数值的分析过程中必须要兼顾流固耦合效应，利用N-S方程二位数值波浪水槽，结合速度入口及守恒消波模式的模拟，在SIMPLE算法基础之上，求出畸形波对垂直板的砰击作用和对其的结构影响。由于刚性平台自身的砰击荷载一般情况下会经过非线性畸形波的作用，在其荷载砰击中，因为刚性平台自身具备较大的面积，因此在砰击作用中，畸形波产生的力能够帮助刚性平台将相应的力度分散开[6]。因此需要在确定完数值波浪水槽的连续式、动量及体系分数运输方程公式以后，则对畸形波进行了模拟，在实验的过程中利用北海进行了实测波形的确定，通过表达式的计算及对畸形波液面时历曲线图、数值模型波浪谱与目标谱的对比以后，采用流固耦合算法进行进一步的求解，最终可以得出以下分析结论：第一，在上浪砰击的过程中，垂直板振动频谱出现了双峰值的现象；第二，基于瞬间的砰击载荷，也使得结构动力响应之中有了高阶模态；第三，局部的砰击压力、结构刚性及弹性均受到水弹性效应的作用，并且当砰击的压力越小，则结构的刚度也就越低。
2.5 畸形波对船舶砰击作用模拟分析
研究畸形波对船舶产生砰击作用的主要原因在于，船舶属于典型的海洋工程结构物，因此加大对其的研究，能够更好地分析极端波浪对于船舶在航行及停靠过程中所产生的影响，并能够实现对船舶性能的改造。在研究时，要先建立数值模型，选定一个研究对象，并对船型资料进行分析，本文在研究时则选取了载重量76000 t的游船作为参考研究对象，将其船体型线数据导入三维建模软件之中，将各点面连接成为一个整体，最终生成几何模型。在分析过程中，由于主要研究的方向为船舶在迎浪的状态之下所产生的砰击载荷与运动响应，因此只在船头的迎浪部分设定了压强监测点，共设置了3个。然后利用三维数值水池进行六面体网格的设置，并对背景及重叠区域的边界条件进行了设定。通过五阶Stokes波对船舶的砰击作用及运动响应进行了研究，最终利用历曲线图的分析，得出了畸形波对于船舶砰击的影响为无论是固定船舶还是浮式船舶，畸形波的载荷值及里程时间均大于五阶Stokes波，因此可以得出畸形波的影响要更高一些，在设计船舶的过程中要将畸形波等极端类的波浪影响因素纳入考量范围之中，从而提高船舶等海洋工程结构物应对风险的能力。
3 结束语
畸形波是海洋工程结构物中比较常见的一种波长，其会对海洋工程结构物造成砰击作用，在实际的畸形波砰击作用形成的过程中，其自身的砰击作用计算能够有效地为相关人员提供有力的数据来支撑畸形波砰击作用在海洋工程结构物中的作用。其能够帮助海洋工程结构物自身实现对于砰击作用抵抗能力的改善。今后仍需要对畸形波砰击作用进行研究，进而保证其砰击作用不会海洋工程结构物造成严重影响。
