波浪理论以及工程应用05.ppt

波浪理论及工程应用,船舶工程学院 钱昆,波浪,周期性 水质点运动,结 构 主 体,弯矩,振动,断裂 疲劳,运动,海洋结构物与波浪的相互作用,3 作用在结构上的波浪力,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；,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,对于入射问题，通常可以用二维方法处理：Morison方程法，,对于辐射问题，通常可以用三维方法处理：源汇分布方程法。,3 作用在结构上的波浪力,1 均匀流诱导荷载,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：刚性海底平行静止表面，水深 d, 均匀流速 Vx. 坐标系：xoz: ox 在静止水面，沿流方向； oz 垂直静止水面向上。,求解问题： 水流作用在单位长度竖直圆柱上的水平力和横向力？,3 作用在结构物上的波浪荷载,水平力：,式中：D为桩柱直径，Vx为流速，Cd为相当于迎流面积的阻 力系数，,为水密度。,阻力系数：,3.3 作用在结构物上的流荷载,3.3 作用在结构物上的流荷载,横向力：脉动,式中：卡门涡街释放频率,S 为Strouhal数。由下图可见，通常 。,在一个卡门涡街释放周期内水流流过5倍的圆柱直径的距离。,3.3 作用在结构物上的流荷载,流,3.3 作用在结构物上的流荷载,3.3 作用在结构物上的流荷载,3.3 作用在结构物上的流荷载,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：刚性海底平行静止水面，水深 d, 自由表面为线性波，H/L0.1； 坐标系：xoz: ox 在静止水面，沿流方向； oz 垂直静止水面向上，原点于波峰下静止水面(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,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。,为相对于迎流面积的质量系数。,3 作用在小尺度构件上的波浪力,波浪力的计算 - Morison方程,式中： 波浪诱导水质点水平速度分量， 波浪诱导水质点 水平加速度分量。,为单位长圆柱迎浪面积。,为单位尺度圆柱排 水体积。,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,立柱上的总波浪诱导载荷,K 为 Keulegan-Carpenter 数：,为水质点按水平速度幅值在一个震荡周期所移动的距离与圆柱直径之比。 k/D为柱体表面相对粗糙度,3 作用在小尺度构件上的波浪力,不考虑系数随时间的变化，有：,震荡流,惯性力为主要成分,准均匀流,阻力为主要成分,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,3 作用在小尺度构件上的波浪力,Sapkaya(1977)振荡流试验的结果。,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,Sapkaya(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,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,3 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,3 作用在小尺度构件上的波浪力,Tanaka等人(1983)和Bearman(1984)等人给出光滑固定正方形柱体的水动力系数。正方形柱体棱边向着振荡流，CM和CD是KC数的函数。从中可看出CM比圆形柱体相应值大。,3 作用在小尺度构件上的波浪力,波浪诱导横向载荷,式中 为相位角。升力系数 为雷诺数 , 相对粗糙度 和Keulegan-Carpenter 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,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,横向力频率 相对频率,3 作用在小尺度构件上的波浪力,Sarpkaya 建议：,当 取,当雷诺数很大取,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,倾斜柱体上的波浪力是根据在柱体上任一点处，与柱轴垂直 的水质点的速度 vn和加速度vn确定的，可以通过坐标转换方 法，应用Morison方程计算。,.,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莫里森方程应写为：,.,.,.,3. 作用在小尺度构件上的波浪力,倾斜构件上的荷载,.,.,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,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,3. 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，必须对多个波浪周期，多个波浪方向和相位的总波浪力进行分析对比，才能得到最危险状态下的总波浪载荷。,3. 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。,3. 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,3. 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,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1.6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。,3. 作用在小尺度构件上的波浪力,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,Morison方程中的阻力项,其中速度平方项可近似为,则有,3. 作用在小尺度构件上的波浪力,Morison方程中的阻力项,阻力项,阻尼项,其中 Ca 阻尼系数。,构件呈挠性，适当的位移可以释放一些荷载的能量，以减小波浪荷载。,3. 作用在小尺度构件上的波浪力,Morison方程中的惯性力项,单位长度圆柱上水作用的惯性力：,单位长度圆柱运动引起的惯性力：,单位长度圆柱运动水作用的惯性力：,惯性力之和：,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：,惯性力项,附加水质量惯性力项,其中：,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：,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。,3. 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,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，必须极其小心。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,3. 作用在小尺度构件上的波浪力,1美国石油学会 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。,2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=08，其他区域CD0.6，而CM2.0，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，CD1.0。涡发放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CD3.5确定。,3. 作用在小尺度构件上的波浪力,3挪威石油管理局 在计算波浪载荷时，必须使用适当的线性或非线性波浪理论。小构件D/L0.2 必须采用包括流和结构运动的相对运动形式的Morison方程。CM、CD和CL值是Re、KC、St、粗糙度和其他