在海洋工程领域，两个相邻的浮动结构之间可能会形成狭窄的间隙，这种间隙在特定波浪频率下会引发波浪共振现象。波浪共振不仅会导致波浪高度的显著放大，还会增加结构上的水动力载荷，从而对工程安全构成潜在威胁。因此，研究波浪共振的激发机制及其抑制方法，对于确保海洋结构的安全运行至关重要。近年来，随着深海资源开发和大型浮动结构设计的快速发展，波浪共振的研究逐渐成为海洋工程领域的热点问题。
当前关于波浪共振的研究方法主要包括理论分析、物理实验和数值模拟。理论分析方面，已有研究多基于经典势流理论建立数学模型。例如，Miao等人通过渐近匹配技术开发了一个波浪力预测模型，该模型考虑了浮动体吃水深度和间隙宽度等参数，适用于具有垂直狭窄间隙的多浮动体系统。对于深水条件下流体振荡问题，Molin则假设间隙宽度远小于主结构，推导出自然频率的解析解，揭示了频率与吃水深度和间隙宽度之间的负相关特性。此外，针对三维波浪共振现象，学者们提出了多种半解析方法，用于复杂结构配置（如矩形间隙和月池）中的模态分析和共振频率计算。
物理实验方面，多数研究集中在两个或多个固定浮动体之间的二维波浪共振现象。Saitoh等人发现，两个固定箱体之间的波浪共振特性与几何参数密切相关。Iwata等人则扩展了研究范围，分析了三个固定箱体之间形成的两个狭窄间隙中的波浪共振现象。Wang和Zou则研究了固定箱体在与垂直壁之间形成的间隙共振时的波浪载荷变化。Liu等人和Ning等人系统地探讨了浮动体尺寸参数对共振特性的影响。对于三维实验，de Boer和Buchner首次实现了两船并行共振以及波浪载荷的三维测量，Perić和Swan建立了驳船靠泊的动态模型，Wang等人分析了波浪群激发下液面和涡旋的演变过程，而Zhao等人则揭示了由聚焦波引起的固定/移动双体瞬态共振机制。
然而，物理实验在实施过程中需要大量的人力和物力资源，因此数值模拟方法逐渐成为研究波浪共振的重要手段。早期的数值模拟主要基于势流理论，如线性势流模型和非线性势流模型。尽管这些模型能够准确预测共振频率，但普遍存在对共振波浪高度的高估问题，这主要是由于它们忽略了粘性耗散效应。为了解决这一问题，学者们提出了多种改进方法。例如，Liu和Li在特征函数展开方法中引入无量纲阻力系数，以修正波浪高度的预测结果；Liu等人则率先采用无质量阻尼盖模型，显著提高了狭窄间隙波浪表面响应的计算精度。虽然引入阻尼项可以有效解决上述问题并获得理想的数值结果，但在实际应用中，该方法仍存在一定的复杂性，因为阻尼系数的确定往往依赖于物理实验或粘性流体动力学计算的反复校准。
基于Navier-Stokes方程的计算流体力学（CFD）方法为研究流体与各种海洋结构之间的相互作用提供了新的途径。近年来，CFD因其在处理强非线性自由表面流动和复杂几何边界问题方面的优势，成为研究波浪共振机制的重要工具。例如，Lu等人使用体积分数（VOF）方法模拟了多浮动体系统中狭窄间隙的共振波浪前沿演变过程。Kristiansen和Faltinsen采用势流与粘性流的混合模型，对狭窄间隙中的流体共振进行了数值模拟，并与实验结果进行对比，旨在建立准确且高效的数值分析工具。Jiao等人基于光滑粒子流体动力学（SPH）方法揭示了共振过程中涡旋结构的形成机制。Gong等人则使用OpenFOAM®软件，对不同尺寸浮动体之间的狭窄间隙共振现象进行了深入研究。
在实际海洋环境中，波浪与洋流共存是常见的现象。洋流会显著改变波浪参数，如波浪高度和波长，从而影响狭窄间隙共振系统的水动力特性，使研究结果与纯波浪情况存在较大差异。尽管已有学者对纯波浪引起的狭窄间隙共振现象进行了深入研究，但对波浪与洋流相互作用引起的共振现象的研究仍较为有限。Fredriksen等人结合谐波多项式单元法（HPC）和有限体积法（FVM）研究了低下游洋流速度下月池中的活塞型共振现象，认为狭窄间隙内的流体阻尼在共振过程中起着重要作用，并指出必须使用粘性求解器才能准确分析流体粘性耗散机制。Ding等人则使用Star-CCM+构建了数值波浪-洋流水槽，研究了均匀洋流和剪切洋流对两箱体系统狭窄间隙共振的影响，发现剪切洋流在水深方向上的速度分布对其水动力特性影响较小，并使用无质量阻尼盖模型对狭窄间隙内的阻尼变化进行了定性解释。Wang等人则基于势流理论并加入人工阻尼项，对2至7个方形箱体在波浪与洋流共同作用下的狭窄间隙共振进行了数值研究，发现狭窄间隙内的波浪高度放大和箱体上的水平力随洋流速度的增加而增强。
尽管已有研究对波浪-洋流水槽中的狭窄间隙共振进行了探索，但大多数研究仍主要采用势流模型，或仅关注与波浪传播方向一致的洋流情况，对相反方向洋流的研究相对较少。此外，现有研究在分析流体粘性耗散机制方面仍存在不足，特别是在使用势流理论结合人工阻尼项时，难以准确模拟流体粘性耗散过程。因此，本研究在此基础上进一步深入探讨了波浪-洋流共同作用下狭窄间隙共振的特性。首先，本研究采用基于OpenFOAM®的粘性洋流理论，以更精确地分析狭窄间隙中流体粘性耗散的极端情况。其次，本研究全面考虑了顺流和逆流对两箱体系统狭窄间隙共振的影响，弥补了前人研究的不足。基于这些理论创新，本研究构建了一个二维数值水槽模型，重点研究了顺流和逆流条件下狭窄间隙共振效应的能量传递模式和水动力特性。研究结果可为预测海洋结构（如并行船舶、浮动码头和双体船）在波浪与洋流共同作用下的共振响应提供理论依据，特别是在设计阶段考虑不同洋流条件下的附加阻尼效应。
为了实现这一研究目标，本研究首先建立了基于OpenFOAM®的二维粘性波浪-洋流水槽模型，并结合第三方波浪生成工具“waves2Foam”实现波浪和洋流的生成与吸收。在此基础上，采用由Suh等人开发的基于最小二乘原理的波浪分析技术，对波浪-洋流条件下的入射波和反射波进行分离。该方法能够有效识别和量化波浪在不同洋流条件下的传播特性，从而为后续的共振分析提供基础数据支持。
本研究的数值模型验证部分涵盖了波浪和洋流的生成、波浪-洋流与结构的相互作用，以及引入的波浪分析技术的计算精度。在波浪和洋流生成方面，通过对比实验数据和数值模拟结果，验证了模型在波浪传播和洋流影响下的准确性。在波浪-洋流与结构的相互作用方面，通过分析结构在不同洋流条件下的响应，评估了模型在模拟流体动力学行为方面的有效性。在波浪分析技术的计算精度方面，通过比较入射波和反射波的分离结果，验证了该方法在处理复杂波浪-洋流相互作用时的适用性。
在结果与讨论部分，本研究首先分析了波浪-洋流共同作用下狭窄间隙中波浪高度的放大效应，并探讨了共振频率的变化趋势。随后，研究了两箱体系统在波浪-洋流条件下的反射系数、透射系数和能量损失系数，进一步分析了均匀洋流速度对狭窄间隙共振系统能量的影响。最后，研究了不同洋流条件下箱体上的最大垂直波浪载荷，并讨论了其对结构安全的影响。研究结果表明，顺流和逆流均会对狭窄间隙共振的共振频率产生影响，其中逆流会显著增加波浪高度的放大效应和结构上的波浪载荷，而顺流则会降低这些效应。此外，顺流会略微减少狭窄间隙共振系统的能量损失，而逆流则会大幅增加系统的能量损失。
本研究的结论部分总结了在波浪与洋流共同作用下，狭窄间隙共振现象的水动力特性及其对结构安全的影响。研究结果表明，顺流和逆流均会对狭窄间隙共振的特性产生显著影响，其中逆流在增加波浪高度放大效应和结构载荷方面表现更为突出。因此，在海洋结构的设计和运行过程中，必须充分考虑洋流方向和速度对波浪共振的影响，特别是在存在狭窄间隙的结构中，应采取相应的措施以抑制共振效应，确保结构的安全性。此外，本研究还指出，基于OpenFOAM®的粘性洋流理论在模拟波浪-洋流相互作用时具有较高的精度，能够有效分析流体粘性耗散机制，为未来相关研究提供了新的方法和技术支持。
综上所述，本研究通过构建基于OpenFOAM®的二维粘性波浪-洋流水槽模型，深入探讨了顺流和逆流对狭窄间隙共振的影响，揭示了不同洋流条件下波浪高度放大、共振频率变化、能量损失以及结构载荷的特征。研究结果不仅为预测海洋结构在波浪与洋流共同作用下的共振响应提供了理论依据，还为相关工程设计和安全评估提供了重要参考。未来的研究可以进一步拓展至三维条件下的波浪-洋流相互作用，以更全面地理解其对海洋结构的影响。同时，也可以探索不同类型的洋流（如剪切洋流）对波浪共振的具体作用机制，从而为海洋工程的安全性和稳定性提供更加坚实的理论基础和技术支持。
