殷文明，郭海燕*，廖發(fā)林，王欣香，王 飛

(1.中國海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.山東科技職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261053；3.山東科技大學(xué)，山東 青島 266590)

內(nèi)孤立波是發(fā)生在密度穩(wěn)定層化的海水內(nèi)部的波動，其最大振幅出現(xiàn)在海洋內(nèi)部，是海洋中的一種普遍現(xiàn)象。內(nèi)孤立波具有大振幅、長周期及波長等特征，而且在傳播過程中會引起局地海面海水強(qiáng)烈輻聚和產(chǎn)生突發(fā)性強(qiáng)流(波致流)。蔡樹群等曾在呂宋海峽到東沙群島之間的海域進(jìn)行內(nèi)孤立波的觀測發(fā)現(xiàn)，其最大振幅可達(dá)170 m，其波致流速介于1.5和2.9 m·s-1之間[1-4]。由于非線性效應(yīng)和頻散效應(yīng)存在一定尺度關(guān)系上的動力學(xué)平衡，使得真實(shí)海洋中的內(nèi)孤立波在傳播過程中能夠保持長時間的波形和傳播速度不變，而理想流體假設(shè)下則為永形波，可以用KdV、eKdV、KdV-mKdV和MCC等理論描述[5-8]。內(nèi)孤立波的非線性大振幅波動對海洋工程、石油鉆井平臺、海底石油管道以及潛體等造成嚴(yán)重威脅。

在海洋工程結(jié)構(gòu)物的構(gòu)件中，圓柱體是最為常見的一種幾何形狀，比如導(dǎo)管架的桿、立管、錨鏈，半潛式平臺、張力腿平臺、重力式平臺的樁或柱以及潛艇、深潛器的主體、半潛平臺的橫撐等。因此，對內(nèi)孤立波與圓柱型結(jié)構(gòu)物的相互作用進(jìn)行研究具有重要的理論意義和實(shí)用價值。蔡樹群[9-11]等通過引入莫里森方程給出了內(nèi)孤立波對豎直圓柱體水平作用力及力矩的計算方法，分別考慮單模態(tài)、多模態(tài)及剪切流的影響，并利用海洋內(nèi)波實(shí)測資料進(jìn)行了算例分析，指出內(nèi)孤立波對豎直圓柱體的作用力不可忽視。徐肇廷、陳旭[12]等試驗(yàn)研究了水平樁柱與內(nèi)波的相互作用，分析了水平阻力與內(nèi)波波要素的關(guān)系。杜濤[13]等基于海洋內(nèi)波實(shí)測資料，利用莫里森方程對小尺度樁柱的內(nèi)孤立波載荷進(jìn)行了計算，結(jié)果發(fā)現(xiàn)內(nèi)孤立波海洋平臺的作用力很大，對其安全性能產(chǎn)生嚴(yán)重威脅。張莉、郭海燕等[14]對內(nèi)孤立波作用下頂張力立管的極值響應(yīng)進(jìn)行了研究，指出內(nèi)孤立波對立管產(chǎn)生很大影響。尤云祥[15-16]等通過試驗(yàn)室試驗(yàn)以及數(shù)值水槽造波方法對內(nèi)孤立波與直立圓柱體的相互作用特性進(jìn)行了研究。

以上研究都是針對貫穿水深或吃水深度較大的一整根圓柱體的總體受力進(jìn)行分析。Camassa[17]等通過系列PIV試驗(yàn)以及對歐拉方程組進(jìn)行數(shù)值求解，研究了兩層流體內(nèi)孤立波波谷位置處最大水平流速的垂向分布，并且指出層厚相對較淺的上層流體可以忽略水平流速的垂向變化，可用層平均速度代替，而層厚相對較深的下層流體水平速度隨深度發(fā)生一定變化。因此，本文通過設(shè)計試驗(yàn)以及理論計算，對位于不同水深處各相同豎直圓柱體所受內(nèi)孤立波水平作用力進(jìn)行分析，探索不同振幅內(nèi)孤立波以及不同水深處豎直圓柱體所受內(nèi)孤立波水平作用力的變化規(guī)律。

1 理論分析

1.1 內(nèi)孤立波理論

本文將實(shí)際海洋中的密度分層簡化為兩層模型，取上、下層流體深度分別為h1和h2，上、下層流體密度分別為ρ1和ρ2。建立直角坐標(biāo)系oxyz，ox軸位于未擾動兩層流體的內(nèi)界面上，oy軸垂直于紙面向里為正，oz軸垂直向上為正，內(nèi)孤立波沿ox軸正向傳播，振幅為a。采用剛蓋假設(shè)下四類內(nèi)孤立波理論[5、7-8](KdV、eKdV、KdV-mKdV和MCC)進(jìn)行研究，其理論解分別如下所示。

(1)KdV理論

(1)

(2)eKdV理論

X=x-ceKdVt。

(2)

(3)KdV-mKdV理論

(3)

λmKdV=

(4)MCC理論

X=x-cMCCt。

(4)

常微分方程(4)為MCC方程，該方程無顯式解，只存在具有橢圓積分形式的隱式解表達(dá)式。原始文獻(xiàn)作者給出了上凸波時的隱式解表達(dá)式，本文通過推導(dǎo)給出了下凹波時的隱式解表達(dá)式，如下所示

(5)

MCC理論是一類強(qiáng)非線性和弱色散的內(nèi)波理論，而其余理論都是在弱非線性和弱色散的條件下得到的，不同的是KdV理論只含有一階的平方非線性項(xiàng)并要求非線性參量和色散參量具有一定的平衡關(guān)系，KdV-mKdV理論和eKdV理論都是在KdV理論基礎(chǔ)上增加了一個二階的立方非線性項(xiàng)，打破了KdV理論要求的非線性和色散平衡關(guān)系式。從理論方面定性分析可知，KdV理論適用于小振幅的情況，KdV-mKdV理論和eKdV理論適用于相對較大振幅的情況，而MCC理論則適用于大振幅的情況。

1.2 內(nèi)孤立波波致流速

內(nèi)孤立波波致流場(向右行進(jìn)波)的層平均水平速度[8]可以表示為，

(6)

其中：η1=h1-ζ；η2=h2+ζ。

Camassa等根據(jù)粒子成像測速(PIV)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，給出了淺水模型下的層平均水平速度和瞬時速度的近似關(guān)系式[17]，如下所示：

(7)

其中，i=1,2代表上下層流體。

(8)

1.3 內(nèi)孤立波水平作用力計算方法

(9)

式中：fI為慣性力項(xiàng)，fd為速度力項(xiàng)；Cm和Cd分別為慣性力系數(shù)和速度力系數(shù)，其中Cm=1+Ca，Ca為附加質(zhì)量系數(shù)；ρ為海水的平均密度；U取結(jié)構(gòu)物軸心處原流場水質(zhì)點(diǎn)速度；D為結(jié)構(gòu)物直徑。

由式(7)～(9)可得，內(nèi)孤立波作用下任意柱高(z1-z2)上的水平力為

(10)

其中：ui是柱體軸中心位置任意高度z處內(nèi)波流場水質(zhì)點(diǎn)水平速度，i=1,2代表上、下層流體。

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)在中國海洋大學(xué)物理海洋試驗(yàn)室的試驗(yàn)水槽中進(jìn)行，該水槽的長、寬和高分別為15、0.4和0.7 m，額定水深為0.6 m。水槽的底面及兩側(cè)壁均為鋼化玻璃黏合而成，透光性能良好，便于使用光學(xué)儀器進(jìn)行內(nèi)波及分層流的觀測。該水槽利用剛性支撐架進(jìn)行固定，以保證其具有良好的穩(wěn)固性。

采用有機(jī)玻璃管作為豎直圓柱型結(jié)構(gòu)物模型，其直徑D和長度L分別為8和9 cm。采用PVC材料制作圓柱體內(nèi)徑尺寸大小的連接件，并用強(qiáng)力膠將其粘在圓柱體內(nèi)部中間位置，用于連接測力傳感器。傳感器另一端通過加工制作的“L”形連接件與固定桿件剛性連接。固定桿件是通過車床加工制作的剛性很大的不銹鋼方形實(shí)心桿，其尺寸為2.5 cm×1.5 cm，在桿件的不同位置上鉆有槽型孔，用于固定“L”形連接件。固定桿件通過螺栓與位于水槽上方的固定裝置剛性連接。將6段相同的豎直圓柱體由上及下依次放置于水槽中間偏后的位置，分別編號為圓柱體1～6，如圖1所示。當(dāng)為內(nèi)孤立波時，圓柱體1位于上層流體中，圓柱體2～6都位于下層流體中。每段圓柱體都通過測力傳感器與支撐系統(tǒng)連接，用以測量各段圓柱體所受作用力。

采用最早由Oster[19]提出的“雙缸法”制取分層水。在2個完全相同且相互獨(dú)立的水箱中分別配置試驗(yàn)所需的密度均勻的低密度鹽水和高密度鹽水。試驗(yàn)之前先通過進(jìn)水系統(tǒng)注入上層鹽水到試驗(yàn)設(shè)置深度，而后通過蘑菇形進(jìn)水口緩慢注入下層鹽水，直至水深達(dá)到試驗(yàn)設(shè)置高度為止。最終在直長水槽中配置了如下參數(shù)的分層流體：上層為低密度鹽水，其密度及層厚分別為ρ1=1 035 kg·m-3和h1=0.095 m，下層為高密度鹽水，其密度及層厚分別為ρ2=1 054 kg·m-3和h2=0.483 m。背景流體密躍層很薄，可以作為界面波來處理。

采用重力塌陷法進(jìn)行內(nèi)孤立波造波試驗(yàn)，其具體操作過程如下：首先通過分層水制取系統(tǒng)制取密度穩(wěn)定層化的液體后，在水槽的左端位置用隔離板隔出一塊區(qū)域，然后向此區(qū)域內(nèi)緩慢注入與上層流體密度相同的同一液體，直至隔離板左右兩側(cè)的界面位置出現(xiàn)一定的高度差(塌落高度)時迅速抽出隔離板，最后在重力作用下隔板左側(cè)位置的上層流體向前運(yùn)動而右側(cè)下層流體向后運(yùn)動，從而對背景穩(wěn)定層化流體產(chǎn)生擾動，進(jìn)而產(chǎn)生內(nèi)孤立波。更改塌落高度可以得到不同振幅大小的內(nèi)孤立波，分別進(jìn)行塌落高度為10、15、20及25 cm的4次造波試驗(yàn)。

本次內(nèi)孤立波試驗(yàn)采用鍍銀空心微珠作為示蹤粒子，能跟較好的隨流體質(zhì)點(diǎn)一起運(yùn)動。采用連續(xù)固態(tài)激光器，布置于水槽上方并垂直向下照射，得到微小厚度(約3 mm)的片光。在水槽尾端位置放置消波板，利用CCD高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)在水槽中間位置對內(nèi)波流場進(jìn)行測量，使其拍攝如上圖所示的視場范圍A(陰影面積)，寬度L1=30 cm，CCD高速數(shù)字?jǐn)z像機(jī)拍攝的照片像素為1 920×1 080。斷面a位于視場A的中心位置，通過對采集到的流場數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處理可以得到該斷面上的波面位移時間序列。

3 理論與試驗(yàn)結(jié)果的對比和分析

圖1 內(nèi)孤立波對豎直圓柱體水平作用力試驗(yàn)Fig.1 Eexperiment of horizontal force on vertical cylinders under internal solitary waves

3.1 內(nèi)孤立波波剖面時間序列

通過PIV技術(shù)，測得4次造波試驗(yàn)下的內(nèi)孤立波振幅|a|分別為4.06、5.88、7.38和8.11 cm，分別記為工況一、工況二、工況三和工況四，并獲取了其波剖面的時間序列，如圖2所示。

圖2 內(nèi)孤立波波剖面時間序列理論與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.2 Contrast of theoretical and experimental results for time series of internal solitary wave profiles

從圖像上看，工況一的前半部分波形與KdV理論波形比較接近，而后半部分波形則更接近于eKdV理論波形，從試驗(yàn)內(nèi)孤立波傳播過程中的能量耗散以及尾波的影響角度分析，可以認(rèn)為前半部分波形更接近于真實(shí)內(nèi)孤立波的情況，因此認(rèn)為工況一與KdV理論吻合更好；工況二、工況三和工況四的波形都都介于eKdV和MCC理論波形之間，但與eKdV理論波形吻合最好，其次是MCC理論波形。

利用文獻(xiàn)[20]中非線性和色散參數(shù)的定義，本文所得結(jié)果與文獻(xiàn)結(jié)果基本一致，不同點(diǎn)在于工況三、四依據(jù)文獻(xiàn)結(jié)果應(yīng)適用于MCC理論，但本文通過試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)eKdV理論波形吻合更好。

3.2 內(nèi)孤立波對豎直圓柱體作用力

圖3 四種工況下內(nèi)孤立波對各圓柱體水平力的理論與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.3 Contrast of theoretical and experimental results for internal solitary wave forces on vertical cylinders in the four cases

由圖3可得，圓柱體1的試驗(yàn)結(jié)果要大于理論計算結(jié)果，且隨著內(nèi)孤立波振幅的增加差距越大，這是由于試驗(yàn)采用重力塌陷法進(jìn)行造波，不可避免地對自由表面產(chǎn)生擾動而產(chǎn)生表面波，所造內(nèi)孤立波振幅越大，所需塌陷高度差就越大，對表面流體產(chǎn)生的激蕩也就越強(qiáng)，導(dǎo)致自由表面附近水平流速較大，致使試驗(yàn)結(jié)果偏大，但是變化趨勢與理論計算結(jié)果一致。圓柱體2的試驗(yàn)結(jié)果變化趨勢較為復(fù)雜，是由于該圓柱體正好位于內(nèi)界面和波面之間的過渡區(qū)間內(nèi)，該區(qū)間內(nèi)的流速變化情況比較復(fù)雜，與理論模型存在差別，因此導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的波動較為復(fù)雜，但是在較大值附近的變化趨勢與理論結(jié)果吻合較好。圓柱體4和圓柱體5的試驗(yàn)結(jié)果在數(shù)值和變化趨勢上都與理論結(jié)果吻合較好。圓柱體6的理論計算結(jié)果要大于試驗(yàn)結(jié)果，但是變化趨勢基本上保持一致，這是由于該圓柱體已經(jīng)位于流場底部，對真實(shí)粘性流體來說，水平速度在接近流場底部附近存在衰減，而理論計算得到的流場是基于無粘假設(shè)下的，得到的理論速度模型在流場底部并無明顯衰減，導(dǎo)致理論結(jié)果大于試驗(yàn)結(jié)果。

綜合對比分析可得，每段圓柱體所受水平作用力的最大值都隨內(nèi)孤立波振幅的增大而增大，位于上層流體中的圓柱體所受內(nèi)孤立波最大水平作用力要大于下層流體中各段圓柱體所受的內(nèi)孤立波最大水平作用力，且作用力方向正好相反，存在該變化趨勢的原因在于下凹型內(nèi)孤立波在上下層流體中產(chǎn)生方向相反的水平流速，并且上層水平流速要大于下層水平流速；理論計算結(jié)果整體上與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

4 結(jié)論

本文采用重力塌陷法和PIV技術(shù)，在中國海洋大學(xué)物理海洋試驗(yàn)室內(nèi)波水槽中進(jìn)行內(nèi)孤立波造波試驗(yàn)并對其波致流場進(jìn)行測量。采用理論和試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法對內(nèi)孤立波流場中不同水深豎直圓柱體所受水平作用力進(jìn)行了分析，得出以下主要結(jié)論：

(1)隨著內(nèi)孤立波振幅的增大，各段不同水深豎直圓柱體所受內(nèi)孤立波最大水平作用力都相應(yīng)地增大，位于上層流體中的圓柱體所受內(nèi)孤立波最大水平作用力大于位于下層流體中的圓柱體，且作用力方向正好相反。

(2)位于密度躍層處的豎直圓柱體所受內(nèi)孤立波水平作用力的變化趨勢相對于其他水深圓柱體來說較為復(fù)雜。

(3)在不考慮易受表面波影響的水面和水槽底部對水平流速產(chǎn)生影響的情況下，選擇合適內(nèi)孤立波理論下的瞬時速度模型結(jié)合莫里森方程能夠較好的模擬豎直圓柱體的水平受力。