Введение к работе
Актуальность темы диссертации
Экономика прибрежных районов в большинстве стран развивается опережающими темпами, особенно в тех районах, где началось промышленное освоение континентального шельфа. В связи с расширением разведки и добычи нефти и газа в шельфовой зоне океанов и морей большую важность приобрела информация о волновых процессах, протекающих в прибрежной зоне. Особый интерес эти процессы представляют, в случае когда их характеристики развиваются до экстремальных значений, поскольку буровые установки и платформы должны эксплуатироваться при любых погодных условиях, включая экстремальные. Занижение расчетных значений волнения уменьшает безопасность сооружений, а завышение увеличивает их стоимость. Практика показывает, что максимальные значения высот волн, оцениваемых как возможный один случай в 50 или 100 лет, отмечались уже в первые 10-20 лет эксплуатации сооружения [Давидан, 1985].
Одновременно с развитием промышленного освоения континентального шельфа, возрастает число катастроф в шельфовой зоне. В частности, в Охотском море, в последнее время произошло несколько крупных трагедий, таких как крушение плавучей буровой платформы «Кольская» 18 декабря 2011 г. в центральной части Охотского моря в 200 километрах от о. Сахалин, в котором погибло несколько десятков человек, и потеря сухогруза «Амурская» 28 октября 2012 года. Согласно заключению специальной комиссии, расследовавшей аварию плавучей платформы «Кольская», одной из причин ее гибели стала ненормативная эксплуатация (буксировка платформы) во время сильного шторма. Возможно, знание более точных характеристик волнения помогло бы избежать таких трагедий. Большой проблемой в этом смысле для Дальневосточных морей, является недостаточная достоверность таких характеристик, основанная на малом объеме наблюдаемых данных. Экспериментальное исследование колебаний жидкости, а в особенности сильнонелинейных процессов, на основе данных натурных наблюдений в природных бассейнах, связано с большими трудностями. Суровый климат, недостаточное развитие, а иногда полное отсутствие инфраструктуры существенно осложняет проведение любых натурных измерений, в том числе и на шельфе о. Сахалин. Поэтому данные, полученные в таких экспериментах, ценны сами по себе.
Эффективным подходом для изучения сложных гидродинамических задач является комплексное сочетание натурных наблюдений и численного моделирования. Данные натурного эксперимента можно использовать не только для верификации результатов численных экспериментов, но и для повышения точности прогнозов расчетных характеристик волнения.
Поведение волны при выходе на берег зависит от конкретных условий, в частности, важную роль играют соотношения между глубиной бассейна и длиной волны, между высотой волны и ее длиной [Вольцингер и др., 1989;
Стокер, 1959]. Именно здесь начинают проявляться нелинейные эффекты, поэтому волнение в прибрежной зоне, достигающее экстремальных характеристик, представляет отдельный интерес. Одним из наиболее интересных проявлений нелинейных процессов с экстремальными характеристиками являются аномально большие волны - волны-убийцы [Куркин и Пелиновский, 2005; Kharif el al, 2009]. Актуальность изучения нелинейных процессов в прибрежной зоне, в том числе аномально больших волн, обусловлена в первую очередь непредвиденной опасностью, которую они могут представлять для прибрежной инфраструктуры. В работе изучению таких волн отводится особенное внимание.
При натурной регистрации поверхностных волн широко применяются донные датчики давления, их использование снижает стоимость и упрощает проведение экспериментов. Однако это накладывает трудности при обработке данных, поскольку датчик придонного давления не регистрирует саму поверхностную волну. Таким образом, важным является изучение связи между давлением в толще воды и смещением поверхности. В теоретическом плане это весьма трудная задача гидромеханики. Большое количество публикаций по этой тематике, появляющихся в последнее время (см., например, [Oliveras et al, 2012]), только подтверждают большую актуальность этого вопроса.
В этой связи, экспериментальное исследование волновых движений, особенно сильнонелинейных, в жидкости конечной глубины и их численное моделирование является важной научной и практической задачей.
Цели диссертационной работы
Целью данной работы является получение оценок характеристик нелинейного волнения в жидкости конечной глубины с помощью экспериментальных и численных подходов, главным образом на примере волн в Охотском море вблизи о. Сахалин.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Экспериментально исследовать характеристики волновых колебаний уровня моря с использованием автономной сети донных датчиков.
-
Оценить влияние нелинейности поверхностного волнения на характеристики давления на дне. Получить явную приближенную формулу для одноточечной связи между вариациями придонного давления и смещениями водной поверхности.
-
Выявить экспериментально и численно наиболее чувствительные характеристики аномально больших волн - «волн-убийц».
-
Разработать и реализовать программные комплексы в качестве инструментов для работы с полученными данными натурных наблюдений. Научная новизна результатов работы
Научная новизна диссертационной работы заключается в полученных оригинальных результатах: 1. Расчетах вариаций придонного давления при прохождении поверхностных
волн в рамках различных гидродинамических теорий;
-
Оценке возможности восстановления колебаний уровня моря по измеренным вариациям донного давления в рамках слабодисперсионной теории нелинейных волн на воде;
-
Получении долговременных оценок статистических и спектральных характеристик ветрового волнения на шельфе о. Сахалин;
4. Анализе наблюдений волн-убийц и их численном моделировании.
Положения, выносимые на защиту
-
Долговременные натурные наблюдения характеристик волновых движений в бассейне конечной глубины с использованием регистраторов донного давления. Эти данные использовались для оценки характеристик ветровых волн и зыби на шельфе о. Сахалин.
-
Расчеты вариаций донного давления, индуцированных поверхностными волнами в рамках трех моделей: линейная дисперсионная теория, слабодисперсионная теория нелинейных волн и полнонелинейная теория волн на воде в конформных переменных. Показано что сильнонелинейная волна в мелководном бассейне приводит к вариациям давления на 17% больше, чем предсказывается линейной теорией.
-
Явная формула для одноточечной связи между вариациями давления и смещения водной поверхности, полученная в рамках слабодисперсионной теории волн, позволяющая восстановить колебания уровня моря по измерениям донного давления. Проведены конкретные оценки для условий Охотского моря.
-
Анализ аномально больших волн (волн-убийц), выделенных на долговременных записях волновых движений в Охотском море. Показано, что наиболее чувствительным индикатором волн-убийц является кривизна водной поверхности, свидетельствующая не только об аномальном возрастании её амплитуды, но и сильной деформации профиля. Этот же эффект получен при численном интегрировании уравнений Эйлера в конформных переменных.
-
Информационная система для хранения и типовой обработки данных натурных наблюдений (свидетельство о государственной регистрации №2011610808) и программный комплекс спектрального и статистического анализа натурных данных синхронных измерений гидростатического давления (свидетельство о государственной регистрации №2012614667). Практическая значимость результатов работы
Полученные в работе оценки влияния нелинейных эффектов показывают возможность изучения нелинейных процессов в прибрежной зоне, в том числе аномально больших волн, с помощью датчиков донного давления. Важным практическим приложением данной работы является оценка статистических и спектральных характеристик ветрового волнения и зыби в прибрежной зоне южной части о. Сахалин. Эти данные позволяют уточнить климатические характеристики ветровых волн в Охотском море, представленные в атласах. Рассчитанные характеристики волнения могут быть использованы при разработке буровых, нефтегазовых платформ или иных сооружений прибрежной инфраструктуры.
Разработанные методики обработки натурных данных и программный комплекс внедрены и используются в ФГБУН «Специализированное конструкторское бюро средств автоматизации морских исследований ДВО РАН» и в ФГБУН «Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН» для хранения и типовой обработки данных натурных наблюдений волнения.
Достоверность результатов
Достоверность полученных результатов обоснована корректностью постановок задач математической физики, использованием известных подходов к численному моделированию гидродинамических процессов и современных методов спектрального анализа, сравнением результатов численного моделирования с результатами, полученными в ходе экспериментальных исследований.
Апробация работы
Основные результаты диссертации представлялись на конференциях: Генеральные Ассамблеи Европейского геофизического союза (Вена, Австрия, 2007 - 2013), III - V Сахалинские молодежные научные школы «Природные катастрофы: изучение, мониторинг, прогноз» (Южно-Сахалинск, 2008 - 2010), Международные научно-практические конференции по графическим информационным технологиям и системам «КОГРАФ» (Нижний Новгород, 2009 - 2012), XVI - XVIII Международные научно-технические конференции «Информационные системы и технологии» (Нижний Новгород, 2010 - 2013), IX - XI Международные молодежные научно-технические конференции «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2010 - 2012), XI Международная научно-методическая конференция «Информатика: проблемы, методология, технологии» (Воронеж, 2011).
Доклады, представляемые диссертантом на всероссийских и международных конференциях, отмечались дипломами и грамотами. Диссертант является лауреатом стипендии Президента РФ молодым ученым и аспирантам, осуществляющим перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики (СП-1763.2013.5). Результаты диссертации неоднократно докладывались на семинарах ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева» и ФГБУН «Институт морской геологии и геофизики ДВО РАН.
Личный вклад.
Всего по теме диссертации опубликовано 30 печатных работ, куда входят 8 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 2 авторских свидетельства, 2 статьи в сборниках материалов международных конференций, 2 статьи в рецензируемых журналах, 17 тезисов докладов на международных и всероссийских конференциях.
В совместных работах научному руководителю проф. А.А. Куркину принадлежат постановка задачи и обсуждение результатов, а также выбор методов исследования. Во всех работах автору принадлежит выполнение всех численных расчетов. Все натурные данные, использованные в работах, получены при непосредственном участии автора в экспедициях НГТУ им. Р.Е.
Алексеева, ИМГиГ ДВО РАН и СКБ САМИ ДВО РАН. Большинство аналитических расчетов в работах выполнялись совместно с проф. Е.Н. Пелиновским. Численные расчеты по моделированию движения идеальной жидкости проводились совместно с д.ф.-м.н. Р.В. Шаминым. Стоит также отметить, что фамилия автора стоит первой в большинстве представленных публикаций.
Структура и объем диссертации
Похожие диссертации на ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЛНОВЫХ ДВИЖЕНИЙ В ЖИДКОСТИ КОНЕЧНОЙ ГЛУБИНЫ И ИХ ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
