物理海洋方程组和海洋工程的关系

论物理海洋方程组在海洋工程研究中的作用

9 q2 k! p) Y. y5 S p1 d0 ]0 v% @

物理海洋学作为现代海洋物理学最早发展起来的分支学科，主要研究发生在海洋中的流体动力学和热力学过程，包括海洋中的热量平衡和水量平衡，海水的温度、盐度和密度等海洋水文状态参数的分布和变化，海洋中各种类型和各种时空尺度的海水运动（如海流、海浪、潮汐、内波、风暴潮等）及其相互作用的规律。对这些运动问题和平衡问题的研究必然需要引入物理海洋方程组来量化海洋的方方面面。所以在物理海洋学的研究中，物理学家们利用动量守恒、质量守恒、盐度守恒、能量守恒以及角动量守恒建立起了物理海洋学的框架——物理海洋方程组。

5 |6 [, f8 H: Q. N' W0 Q6 A0 E

海洋工程是指开发、利用、保护、恢复海洋资源的工程。海洋工程的主要内容可分为资源开发技术与装备设施技术两大部分，具体范围有：围填海、海上堤坝工程，人工岛、海上和海底物资储藏设施、跨海桥梁、海底隧道工程，海底管道、海底电（光）缆工程，海洋矿产资源勘探开发及其附属工程，海上潮汐电站、波浪电站、温差电站等海洋能源开发利用工程，大型海水养殖场、人工鱼礁工程，盐田、海水淡化等海水综合利用等工程。

在海洋工程的研究中，工程师在设计相关海洋装备或者海岸工程时，需要对相应的海洋情况做详细的研究，以确保研发的海洋装备可以在相应的海况下正常工作，提高装备的使用范围和寿命。而如何掌握海洋情况，海水的运动，盐度，温度等相关物理特性，就需要利用物理海洋方程组这个翻译官了。物理海洋方程组之于海洋工程研究，就是牛顿定律之于神舟飞船，其重要程度不言而喻。

. K- {8 w& K4 a

常见的物理方程组

@( P7 _8 ^4 u3 P* C$ M

物理海洋学的重要研究方向之一是研究海洋中的物理过程特别是海水的运动及物理特性，海水的运动力学是流体力学的延伸。研究者利用物理定律将物理问题“翻译”成数学问题，再对数学物理方程研究之后，再将研究结果“翻译”成物理现象和规律，而海洋物理方程组就是这个过程中的“翻译官”角色。常见的“翻译官”有纳维-斯托克斯方程（动量守恒）、连续方程（质量守恒）、盐度对流扩散方程（海水盐量守恒）、热传导方程（海水热量守恒）

纳维-斯托克斯方程

为了研究海水（流体）的运动，引入了纳维斯托克斯方程。在考虑重力、科氏力、引潮力的纳维-斯托克斯方程：

; V* u Y3 Q7 ^, U$ l3 q& `

纳维斯托克斯方程主要用来研究不可压缩流体流动的规律。在海洋工程研究中，我们可以用纳维斯托克斯方程求解某个海域的海水运动，从而设计相关的海洋装备。比如在建设粤港澳大桥时，工程师需要充分考虑到不同海域的海水流动对大桥底座的冲击力，然后根据冲击来设计底座的力学性能，确定桥墩的相关的材料性能。

* f. T2 [' x2 E; H- X( x9 R+ x% r

连续方程、海水对流扩散方程、热传导方程

2 X3 r. Y, E- j3 d5 M) D s* H

根据海水的质量守恒，可以推导出海水的连续方程：

" n. ?" q- F1 K2 ]' {( D4 V

9 f9 {2 M3 g6 X( z9 ~# Y& a5 o( q0 e

image-20210504103722439

5 H+ Q/ S1 E `( ^0 v

由海水的盐量守恒可以推导出海水的盐度对流扩散方程：

由海水热量守恒可以推导出海水的热传导方程：

! u' g: f2 {' H- X$ l$ Q' [6 h* _

/ q7 i' P$ A7 U$ X0 r

和N~S方程一样，这三个公式在海洋工程研究中也有着重要的应用。比如深远海钻井平台的设计：由于海水盐度高，所以有着较强的腐蚀性，所以在设计钻井平台的时候，工程师需要考虑到平台工作海域对平台设备的腐蚀作用，从而设计相关的防腐措施。

3 M2 o2 L' r/ B, A, R: C. H

实例分析：“澎湖号”波浪能养殖平台设计中的物理海洋方程组应用

在设计“澎湖号”波浪能养殖平台时，工程师在设计波浪能发电装置时，需要利用物理方程求解出“澎湖号”工作海域的波浪能的性质，波浪能量小，需要设计更多的储能装置，波浪能量大，需要考虑对整个平台的冲击，比如抗台风能力等。

在设计“澎湖号”时，需要考虑到海水的腐蚀问题，更加相关的物理方程解出工作海域的盐度，然后利用相关计算确定防腐材料的防腐性能。据我们了解，“澎湖号”需要定期返回船厂维修，维修的一个方面就是去腐蚀。

' j1 ]. o" q1 R% L$ v; k! U

“澎湖号”是可移动的养殖平台，所以需要根据海洋物理方程确定海水的运动性质，进而设计“澎湖号”的“船型”。

2 O, K: L7 T8 M1 H2 h Z/ O& l $ r( i) _; c, ^# d/ Y9 Q5 i# @# G