海洋工程环境学新-2

1海洋工程环境学EnvironmentalMechanics

ofOcean

Engineering根据结构物的特征尺度，可以分为小尺度构件和大尺度结构两种不同类型。其划分标准为：为小尺度构件

入射问题；D

L

0.2D

L

0.22为大尺度构件

辐射问题。例：自升式平台：D=O(1m),L=O(100m),D/L=0.1半潜式平台：D=O(100m),L=O(300m),D/L=0.3对入射问题，可以用二维方法处理：Morison方程对辐射问题，可以用三维方法处理：源汇分布法3作用在小尺度构件上的波浪力波浪诱导荷载3作用在小尺度构件上的波浪力波浪诱导载荷33作用在小尺度构件上的波浪力4波浪诱导载荷3作用在小尺度构件上的波浪力物理模型：圆柱(桩柱)：直径D，一端垂直刚性固定在海底，另一端露出水面；水域：刚性海底平行 水面，水深

d,表面为线性波，H/L<<0.1；坐标系：xoz:ox

在oz

垂直水面，沿流方向；水面向上，原点于波峰下 水面(余弦波)。求解问题：波浪流场作用在单位长度圆柱上的水平力?波浪诱导荷载5Morison方程2xd

mf

1

C Au

u

C

u式中：u

波浪诱导水质点水平速度分量，u

波浪诱导水质点水平加速度分量。A

D

1为单位长圆柱迎浪面积。

D214

为单位尺度圆柱排水体积。6其中：第一项为单位长度圆柱上的阻力(Drag)，第二项为单位长度圆柱上的惯性力。为相对于迎流面积的阻力系数。Cm

为相对于迎流面积的质量系数。fx

fd

,x

fi,x

12

4

D2Cd

Du

u

CmuCd73作用在小尺度构件上的波浪力8d

mDC

,C

f

Re,

k

,

K

无因次数K

为Keulegan-Carpenter数,它反映了波浪中水质点的振荡特性：K

umT

lD

D为水质点在一个震荡周期所移动的距离与圆柱直径之比的

倍。k/D为柱体表面相对粗糙度。K

59震荡流惯性力为主要成分准均匀流阻力为主要成分5

K

25中间流惯性力与阻力为成分相当3作用在小尺度构件上的波浪力K

25Cd和Cm的取值103作用在小尺度构件上的波浪力3作用在小尺度构件上的波浪力Sapkaya(1977)试验的结果。3作用在小尺度构件上的波浪力123作用在小尺度构件上的波浪力13Sapkaya(1977)用粗糙圆柱体水平放置在U形管内，作振荡流试验的结果。3作用在小尺度构件上的波浪力143作用在小尺度构件上的波浪力153作用在小尺度构件上的波浪力163作用在小尺度构件上的波浪力Chakrabarti(1982)在波浪水槽中用垂直柱体，在规则波中试验得到惯性力、阻力和横向力系数，结果如下Tanaka等人(1983)和Bearman(1984)等人给出光滑固3

定正方形柱体的水动力系数。正方形柱体棱边向着振作荡流，CM和CD是KC数的函数。从中可看出CM比圆形用柱体相应值大。在小尺度构件上的波浪力3作用在小尺度构件上的波浪力19t,xxf

dzdF

立柱上的总波浪诱导载荷00M

d

z

fxdzd对线性波，有：t

,xt

,xH

2

cost

cost

16

1

M

F

d

eFL4e

L

2

2

g3作用在小尺度构件上的波浪力20波浪诱导横向振荡载荷

21212ym

lsu

DC

cos

2f

f

t

和Keulegan-Carpenter式中

为相位角。升力系数Cl

为雷诺数Re

,相对粗糙度k

/D数K

的函数。.Sarpkaya

对于相关的水动力系数提供了试验结果，可供设计中使用。3作用在小尺度构件上的波浪力3作用在小尺度构件上的波浪力

D2

T22Re,

K

:Cl

0.23作用在小尺度构件上的波浪力233作用在小尺度构件上的波浪力24xsVD

Df

S

S

umsrfff

S

um

S

umT

SKfD

D3作用在小尺度构件上的波浪力f为波频25Sarpkaya

建议：K

20,

Re

O

105

,

k

d

0.002S

0.2226当取另外，当k/D=310-3

时，Cl

同Re

无关，可以用光滑圆柱的结果。3作用在小尺度构件上的波浪力3.作用在小尺度构件上的波浪力倾斜构件上的荷载FsFnFndsFxdzdzdxdsFzdxVsVnV柱体上任一点处，与柱轴垂直27的水质点的速度vn和加速度vn确定的，可以通过坐标转换方法，应用Morison方程计算。倾斜柱体上的波浪力是根据在.3.作用在小尺度构件上的波浪力倾斜构件上的荷载对于倾斜柱体，在柱.体上任一点处，与柱轴垂直的水质点的速度vn和加速度vn是由波浪水质点的速度u和加速度a组成。由于波浪水质点的速度分量和加速度分量的大小是不同的，使得速度u和加速度a虽同在zox平面内，但不在一条线上，故在一般情况下，对.于任意方向的倾斜柱体，与柱轴正交的速度vn和加速度vn．将不在一空间平面内。因此由拖曳力和惯性力迭加的总力，就必须写为矢量形式。对于倾斜柱体—般形式下的

方程应写为：2

4n

dn

n

mnf

1

C

D

v

v

C

D2v.28293.作用在小尺度构件上的波浪力倾斜构件上的荷载fxdz

fndscos4nd

nf

1

C D

v

v

Cn

m2n

D2v.nvn

u

cos

wsin

vn

tv.水动力系数：Cd

,Cm

=f(Re,k/D,K)3.作用在小尺度构件上的波浪力组合构件半潜式平台30桁架腿自升式平台3.作用在小尺度构件上的波浪力组合构件组合构件上的波浪力计算可以对各子构件按照各自的尺寸和方向计算法向流体速度和加速度，计算阻力系数和惯性力系数，从而计算波浪力，将所有构件的波浪力叠加得到总波浪力313.作用在小尺度构件上的波浪力组合构件由于各桩柱上波浪力峰值出现方向和相位不同，对实际结构，必须对多个波浪方向和相位的总波浪力进行分析对比，才能得到最

状态下的总波浪载荷。323.作用在小尺度构件上的波浪力群桩效应按排或列布置的构件之间会产生相互作用，在平台设计中，应考虑构件的遮挡作用和相互干扰作用。前排桩对后一排桩有遮挡作用，可以减轻波浪对后排桩的作用；位于同一排的桩之间有干扰作用，从而增加波浪对桩柱的作用力。33343.作用在小尺度构件上的波浪力群桩效应群桩的遮挡和干扰作用主要和桩距l与桩径D之比和KC数有关。一般认为当l>=4D时，遮挡作用和干扰作用可不考虑;当l<4D时，应将波浪载荷乘以群桩系数K’。K’值应尽量由试验确定，当试验资料不足时，可参照下表选用353.作用在小尺度构件上的波浪力非线性效应线性波作用下的波浪荷载取决于波浪作用下水质点的速度和加速度。线性波的条件为H

/

L

0.1而对于海洋结构物的极限设计海况，

H/L一般在0.1的量级，为考查非线性的影响，对

H/L= 0.1的荷载计算结果进行分析，以得到定量概念。分别用线性波理论和stokes五阶波理论进行波浪力的计算，结果表明采用五阶波理论计算的波浪力比用线性波理论计算的波浪力大1.8倍，说明在大波陡的情况下必须用非线性波浪理论进行波浪力的计算。363.作用在小尺度构件上的波浪力•单根桩腿单位长度所受的波流力为：FW＝FD＋FI＝Cd××D×|

U|×U/2＋Cm×××D2/4×a＝Cd××D×(

|

u＋v|

)×(

u＋v

)/2＋Cm×××D2/4×aaU

＝垂直于构件轴线的水质点相对于构件的总速度分量，m/s。＝垂直于构件轴线的波浪引起的水质点相对于构件的速度分量，m/s。＝垂直于构件轴线的海流引起的水质点速度分量。计算中海流的方向取和波浪相同的方向。＝垂直于构件轴线的水质点相对于构件的加速度分量，m/s2。非线性影响-

海流速度的影响3.作用在小尺度构件上的波浪力3.4

计入构件运动效应的波浪荷载Dpwu

xzxHdL37Morison方程中的阻力项d

,xdf

1

C D

u

x

u

x

其中速度平方2近似为u

x

u

x则有2

2

2d

,xd

d

d

af

1

C D

u

u

1

C D

u

x

1

C D

u

u

C

x3.作用在小尺度构件上的波浪力38Morison方程中的阻力项2

2

2d

,xd

d

d

af

1

C D

u

u

1

C D

u

x

1

C D

u

u

C

x阻力项

阻尼项其中Ca

阻尼系数。一些构件呈挠性，适当的位移可以荷载的能量，以减小波浪荷载。3.作用在小尺度构件上的波浪力39Morison方程中的惯性力项单位长度圆柱上水作用的惯性力：Cmmf单位长度圆柱运动引起的惯性力：mf单位长度圆柱运动水作用的惯性力：Cmm

f惯性力之和：fi,x

Cmmf

u

Cmmf

x

mf

x

Cmmf

u

Cm

1mf

x

Cmmf

u

ma

x3.作用在小尺度构件上的波浪力40Morison方程中的惯性力项惯性力之和：fi,x

Cmmf

u

Cmmf

u

ma惯性力项 附加水质量惯性力项其中：

D2414mf

3.作用在小尺度构件上的波浪力Morison方程中的惯性力项惯性力之和：fi,x

Cmmf

u

Cmmf

u

ma惯性力项 附加水质量惯性力象构件运动带有附加水，这部分水的惯性力有可能导致荷载增加。423.作用在小尺度构件上的波浪力水平力=阻力项+阻尼项+惯性力项+附加质量项水动力系数：Cd

,Cm

,Ca

,ma

=f(Re,k/D,K)3.作用在小尺度构件上的波浪力du

d

2

xmdt

a

dt243fx

fd

,x1dx

fi,x

2

Cd

D

u

u

Ca

dt

Cmmf规范中对各项系数的规定迄今，有关CM、Cd和Cl的已有资料，没有一组数据能令人信服地用于实体的各种情形。把试验结果用于实际设计时，必须极其

。因为，现有的资料都是在特定状态下得到的，所介绍的比较和证实方法都有自身的规定，尚无普遍适用的具体准则。3.作用在小尺度构件上的波浪力443.作用在小尺度构件上的波浪力石油学会作用在构件上的波浪力建议用Morison公式进行计算。典型的CM和CD值分别给定为1.5至2.0，以及0.6至1.0。结构的自然频率接近主要结构分量频率时，要求作动力分析。英国劳氏规范波浪载荷用具有适当系数值的Morison方程计算。当采用Stokes波理论时，在飞溅区CD=0．8，其他区域CD＝0.6，而CM＝2.0，除非用绕射分析方法发现可用较低的值。如果采用Airy波理论，CD＝1.0。涡

对立管或生产管线的影响必须研究。波浪对平均水面附近的水平构件的砰击可作为阻力，用CD＝3.5确定。