极端波浪放大及其对海上结构的冲击载荷
de本文译自2005年海上技术会议
C.T. Stansberg; R. Baarholm; T. Kristiansen; E.W.M. Hansen; G. Rortveit
一、前言
本文研究了在陡峭和高波浪条件下，气隙和甲板冲击对柱基平台的影响。基于线性和二阶衍射-辐射分析的数值模型通过模型试验数据进行了验证，涵盖了固定结构和浮动结构的多种情况。通过系统性调整波浪陡度，发现了显著的高阶效应。波浪冲击甲板载荷采用类似于Kaplan方法的简单公式建模，但考虑了大体积船体的放大效应。预测的载荷时间序列与模型试验数据吻合良好。引入了使用商用流体体积法（Volume-of-Fluid）工具进行的初步CFD研究，获得了有前景的结果，同时提出了未来改进的挑战。
二、极端波浪与大体积平台的相互作用
本文研究的问题如图1示意图。一个大型且陡峭的波浪由于船体结构的水下部分而被放大，可能会撞击甲板的底部。此情境涵盖了多种事件类型，从沿立柱的薄水流上升、到立柱周围的局部波浪放大，再到因平台放大而导致的大 波浪撞击甲板的冲击。
图1. 示意图
通常自由水面高度的建模需考虑线性和非线性效应，并结合模型试验修正。为了说明这些问题，图2呈现了模型试验的快照，显示了船体后部立柱处的波浪放大情况。
图2. 多柱模型在陡峭波浪中测试的视频
图3展示了一个来自模型试验的波浪冲击甲板的事件。上图为未受干扰和放大的波浪，中图为甲板上的水平和垂直总载荷，下图为中心前部位置的局部甲板冲击力测量值。
图3. 甲板内波浪记录，GBS模型试验示例。
三、线性和二阶波浪放大效应的有效性
以下将系统地调查在各种柱基结构案例中，线性和二阶数值自由表面波浪建模的有效性。
案例研究
这里包括四个不同的案例：
a. 一个圆形固定垂直柱
b. 四个圆形固定垂直柱
c. 带有沉箱的三柱固定重力结构（GBS）
d. 系泊半潜式平台（浮动）
研究中的波浪条件包括各种规则和不规则波，其波周期和陡峭度都有所变化。此外，还对固定柱进行了双色波的测试。在本报告中，将重点介绍几个选定条件下的结果，同时总结其他测试的一些主要发现。
数值建模
图4. 四个案例研究几何形状的鸟瞰图。
本次展示中使用的波浪探测器位置已标出。
图5. 二阶数值面板模型的三维示意图，带有自由液面。
Selected results, 规则波
以下将比较线性和二阶模型预测的最大 波峰高度Atot与相应的测量值。
图6a-b. 单柱和四柱的波峰放大
图6c-d. GBS和半潜式的波峰放大
图7. 预测的高程与测量值的对比（单柱）。
波浪探头位于柱前1.5米处；两个随机事件。
图8. 预测的高程和气隙与测量值的对比（半浮式）。波浪探头编号1（上面两个图）和8（下面两个图）。
四、一个简化的甲板波浪载荷模型
本文开发了一种简化的方法，用于求解海上结构甲板下由于波浪传播引起的水冲击力。目前的方法基于势理论，可用于解决夹层型平台以及半潜式平台、张力腿平台（TLP）和重力基础（GBS）等大体积平台的波浪冲击问题。计算得到了由甲板下湿润区域定义的面积上的综合力。
图9. 计算的垂直波浪冲击甲板载荷事件与测量结果的对比
五、完全非线性建模：使用商业CFD工具的初步研究
由于在波浪放大和冲击问题中观察到强烈的非线性波浪-柱相互作用，因此启动了对使用完全非线性模型可行性的调查。考虑采用Volume-of-Fluid方法，使用商业软件FLOW-3D。在之前对FPSO的绿水载荷研究中，该工具取得了有前景的结果。
图10. 数值波浪水槽中波高为22米、周期为12秒时柱体的放大视图
图11. 中心平面的速度场。
图12. 速度场快照，二维波浪冲击甲板研究。
图13. 甲板冲击力时间历程示例
六、结论
针对四种不同结构，进行了围绕和穿过柱体的自由液面波高的线性和二阶数值建模案例研究。通过系统的收敛性研究，选择了最终的数值模型。结果显示，自由液面上的空间面板分辨率比在结构体上的更为关键。将不同位置和不同波陡度下的最大 波峰高度预测值与模型试验数据进行了对比。
线性预测明显偏低，而二阶校正值在许多情况下与试验数据相符。然而，仍在陡峭波浪中发现了一些差异。特别是在距迎波侧柱体几米范围内，模型预测低于测量值，这被认为是基本谐波放大预测不足所致。而在更远位置以及半潜船尾部柱体附近，则出现了二次谐波分量预测过高的现象。
描述了简化的甲板波浪冲击载荷模型，该模型基于Kaplan方法（动量守恒原理）和因船体结构而导致的入射波的二阶放大。计算得出随时间变化的综合载荷。由于采用了有效的附加质量随时间变化的近似计算方法，该方法运行速度较快。结果显示，与GBS平台的甲板载荷测量值总体上吻合良好。
使用商用的Volume-of-Fluid方法进行的全非线性建模初步研究取得了有前景的结果。所得波浪运动学和甲板载荷在合理范围内，尽管仍有改进空间。由于边界反射，大型数值波浪域与计算机性能之间的平衡目前是一个挑战。
建议进一步研究自由液面升高的解释和实际应用，尤其是在工程应用中结果的稳健性。建议对甲板波浪模型进行更多验证案例，包括局部冲击事件，并探讨该方法的实用性。最后，建议在全非线性工具的使用和验证方面进行更多工作，关注空间和时间分辨率的选择以及适当的初始和边界条件等重要问题。
了解更多细节，可参考以下原文链接：
