【论文推荐】| 极端波浪下柱式浮标运动响应数值模拟研究

论文导读与观点概要

1. 研究目的

随着全球极端天气频发，海洋浮标在极端海况下的安全运行面临严峻挑战。现有研究多集中于常规波浪，对极端波浪（如畸形波）作用下浮标动力响应的差异及安全阈值关注不足。本文旨在基于黏性流体力学理论，构建高精度的三维数值波浪水槽，探究聚焦波幅、波浪类型（聚焦波vs规则波）以及聚焦位置对柱式浮标垂荡、纵荡、纵摇运动及系泊力的影响。研究旨在揭示浮标在极端波浪下的响应机理，为浮标在恶劣海况下的安全设计及锚泊系统优化提供理论依据。

2. 研究方法

本文采用数值模拟与物理试验验证相结合的方法：

3. 主要结果

📉 聚焦波幅的影响

⚡️ 聚焦波与规则波的差异

📍 聚焦位置的影响

4. 结论

基于黏性流理论建立了极端波浪与浮标相互作用的三维数值波浪水槽，开展了极端工况下浮标的运动响应（纵荡、垂荡以及纵摇）的模拟研究，得到的主要结论如下：

1）随着聚焦波幅的增大，浮标的垂荡、纵荡、纵摇运动及系泊力显著增大。此外，通过对浮标三自由度运动的频谱分析可知：垂荡运动频谱呈现出双峰值，且随着波高增大，两个峰值都增大，但低频对浮标的影响显著增强；浮标纵荡运动幅值响应在0.067 Hz处达到峰值，此处频率为浮标运动的固有频率，随着波高的增大，两个频率对应的峰值都呈现增大趋势，且固有频率占比逐渐升高；纵摇运动频谱在波高较小时呈现出双峰值，而随着波高增大，只在低频区出现峰值，说明随着波高增大，高频对纵摇运动影响减小；锚链受力频谱呈现出双峰值，随着波高增大，不同频率占比幅值基本不变，说明锚链受力受波高的影响较小。

2）与规则波相比，聚焦波作用下浮标运动仅在波峰处呈现较大波动，极端峰值前后的运动幅度较小；此外，聚焦波作用下浮标呈现出更大的垂荡幅值、纵摇角度以及更大的系泊力，对浮标的安全造成更大的影响。

3）为探讨波峰位置的影响，研究了浮标在不同焦点位置的响应。研究发现，垂荡、纵摇运动以及系泊力的峰值在极端峰接近浮标中心时通常增加，而纵荡运动峰值整体呈上升趋势。浮标的极端反应发生在［-2R，4R］的范围内，在此范围内聚焦对浮标的安全威胁最大。

💡 推广语：

这篇文章为海洋浮标的“抗极端天气”能力提供了关键数据支撑。研究通过高精度数值模拟揭示了一个关键事实：同等波高下，瞬间爆发的“聚焦波”比常规“规则波”对浮标的破坏力更强。文章不仅量化了波浪冲击的剧烈程度，更精准锁定了最危险的“死亡聚焦区间”——波峰位于浮标前方2倍半径至后方4倍半径处。对于从事海洋观测、海上风电及石油平台安全保障的工程师而言，这是一份关于如何提升海洋装备在恶劣海况下生存能力的必读指南。

相关图表

本文引用格式：汪世文, 温柔, 赵西增, 等. 极端波浪下柱式浮标运动响应数值模拟研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(3): 45-54.  (WANG Shiwen, WEN Rou, ZHAO Xizeng, et al. Numerical simulation of motion response of column buoy under extreme waves[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(3): 45-54.  (in Chinese)）

作者简介：   

汪世文（2000—），男，硕士研究生，主要从事波浪与结构物相互作用研究。E-mail： wangshiwen@zjou.edu.cn

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