小尺度结构物上.ppt

第三章 小尺度结构物上的波浪力,各种平台,在设计波浪情况下,基础和支撑结构承受相当大的波浪力 波浪对固定海工结构物的四种效应 (1)粘性效应 (2)惯性效应 (3)散射效应 (4)自由面效应 近海结构物波浪力三种方法 (1)Morison公式(小尺度,桩柱 输油管道等) (2) Froude-Krylov方法 (大尺度,重力式平台 大型储油罐等) (3)绕射理论 (任意形状结构物),确定三种计算方法的适用范围 量纲分析: M-L-T系统,无因次化为5个量 为流体质点最大速度 为KC参数，表征阻力的影响， 等价为流体质点轨迹 圆的直径 为Re数 为绕射参数（结构直径与波长比）,KC数大则绕射参数小，反之绕射参数大则绕射参数大 散射作用大则阻力小，散射效应小则阻力大。 Garrison给出波浪力计算范围图 小尺度：D/L0.2 F-K法 散射理论,绕流力,1 圆柱绕流拖曵力 定常水流绕过圆柱体时，沿流动方向作用在圆柱上的力 摩擦拖曳力+压差拖曳力 a 与Re（ ）数有关 b 与圆柱表面摩擦系数有关 c 与结构物形状有关 d 与绕流边界层形成、发展和分离情况有关 绕流产生、发展情况： Re5, 边界层不分离，无漩涡 515Re40, 边界层分离，尾部出现一对稳定漩涡 40Re150, 尾涡交替出现，形成涡街 150Re300, 尾流向紊流过渡 300Re310*5, 尾流全为紊流 310*5Re310*6, 尾流变窄，凌乱 310*6Re, 尾涡重新形成,Re=40,Re=100,Re=4000（流速图）,Re=4000,Re=4000涡量图,Re=8*106涡量图,亚临界区: 层流逐步发展为湍流,出现涡街 临界区: 凌乱 超临界区: 湍流涡街重新建立,海洋工程Re数一般较大，圆柱体后易形成涡街 圆柱体除受沿流向稳定的（平均值） 外，还受脉动拖曳力 ，通常在高Re数情况下， 较小。 垂直于流向受脉动 横向力 。 斯特罗哈尔（Strouhal）数 f为涡泄放频率，工程中应避免它与构件自振频率（固有频率）接近，以免出现涡激共振现象。,例题,一根打入海底的圆形木桩，长度l=20m，直径D=0.4m，水深d=15m，海流速度u=1m/s，试计算海流作用在木桩上的拖曳力、惯性力，并确定发生涡激共振危险所对应的海流速度。,计算使用数据 木材弹性模量 木材密度 海水密度 木桩横截面积惯性矩 拖曳力系数 木桩自振频率 木桩质量 附加质量 惯性力海流作用在木桩拖曳力 斯特罗哈尔数 涡泄放频率 对应海流速度,单位长度圆柱体上的拖曳力 脉动拖曳力 脉动横向力,2 绕流惯性力 非定常绕流运动中绕流流体对圆柱的作用，还有流体速度引起的惯性力 在速度分布为 流场中，有排水体积为V的柱体固定其中，若不考虑柱体对流场的影响（散射效应），将柱体边界作为流体边界一部分。 若没有柱体存在，柱体存在位置的流体应随其余流体一起作加速运动，但由于柱体存在，这部分流体被减速至静止，因此加速流体应对柱体产生沿流动方向作用的惯性力。 把它称为Froude-Krelov（弗汝德-克雷洛夫）力 。,其中 为未扰动流体平均全加速度。对细长圆柱体，可取为柱体轴线处流体加速度。 由于柱体的存在，必定改变流场分布，这种变化在柱体表面最大，随离柱体的距离增加而减小。柱体扰动使柱体周围改变运动状态的流体产生惯性力，改变流动状态的流体的质量称为附加质量 。 总惯性力 令 则,3-2 Morison方程,一、直立圆柱波浪力 Morison,OBrien,Johnson,Shaaf(1950) 单位长度上圆柱所受水平波浪力 基准体积 基准面积 直立圆柱所受总水平波浪力：,讨论: （1）Morison方程的理论局限 （2）影响水动力系数的因素,直立圆柱波浪力（线性波理论）,圆柱所受波浪力为时间周期函数，最大值对应相位,倾覆力矩： kx=0时，可写为： 最大波浪力作用点位置,二、Morison方程其它形势 1、倾斜柱体 为柱体轴向单位矢量 若波浪为二维波（xoz平面内） 若倾斜柱体也在xoz平面内,讨论,（1）轴向力 （2）横向力 （3）倾斜柱体力系数与垂直柱体力系数（图3-4，3-5）,2、振荡柱体（常用于试验上测量柱体水动力系数） A、对波浪中固定柱体波浪力，设计阶段，其适用性可能处于允许误差范围内； B、设计移动近海结构，可直接应用。 作用在柱体上的流体反作用力 为附加质量系数， 为静水中振荡柱体阻力系数。 静水中振荡柱体与振荡流流经柱体的情形是等价的。 惯性力系数,U 形槽中振荡流流经柱体的试验 U形槽数据和波浪水槽数据在低Re数有较好相关性，要证明对海洋近海结构的适用性，还需进一步证明。,3、定常流中的振荡柱体 KC数：,4、波浪和流中的固定柱体,3-2 横向力,一 概述 横向力：波浪在柱体后漩涡尾流区的形成的垂直与波浪传 播方向的波浪力 规则波中垂直柱体涡的泄放：,1970 Bidde KC5时，尾涡出现不对称 fL是不规则的,横向力公式 由于横向力是不规则的， 将随时间不规则变化 定义最大横向力系数 二、横向力傅氏级数表达： 为横向力n次谐力，不随时间变化 为相应相位角,1976 chakrabarti实验结果（p63） 在大部分KC数范围 波浪力主要频率为二阶波浪频率 工程设计中，估算公式 Kc18时，主要频率将出现三倍波浪频率,3-3水动力系数,实验方法 影响水动力系数的因素： KC, Re，柱体粗糙度，柱体倾斜度，形状等,相关试验,一、光滑柱体 A 水平力 1976，Sarpkaya做了广泛的实验，研究水动力系数与Re数和KC数的关系（U型槽简谐振动流） 结论：a) 随Re数增大先减小至约0.5，然后增加趋于一常 数， 时， 约为0.62； b） 随Re增大先增大至一最大值，然后趋于一常 数， 时，约为2.0； c） 随Re，KC变化曲线,1980，Chakrabarti（波浪水槽中的柱体） 结论： a、 b、 曲线,海上实验： 1979，美国Exxon石油公司在墨西哥湾原型观测 平台尺寸（6.1*12.2*36.8）d=20.1m 结论： a、KC20时，CD,CM 数据分散，KC=2045时，分散性 减小 b、KC数增大时，CD趋近0.68 c、CM的平均值随资料分析方法而异 1979，Bishop分析1976年Christchurch湾的观测数据 结论 CD=1.0, CM=1.85,B 横向力 Sarpkaya 在Re和KC数范围很广的试验： 结论： Re2e4时，CL取决于KC和Re,2、粗糙柱体 海污：海洋生物附着在结构上 （1）构件尺度增大 （2）改变水动力系数 （3）增加结构重量 （4）使周围流场不稳定 实验室中，海污长用表面喷沙粗化进行模拟，海污程度用不同砂种来体现 K/D（K为沙粒尺度） 1982年，Chakrabati，波浪水槽中垂直柱体喷砂粗化实验 结论; （1）CM相对不受粗糙度影响； （2）CD,CL在中等KC范围内明显增加,3 倾斜柱体 1977，Chakrabati 波浪中水槽试验 结论： a、CM相对不受倾角影响，CD随角度增加而略增 b、法向力是主要的，轴向力可忽略,4 水动力系数选择问题 A 目前，有关CM,CD和CL已有的资料，没有一组数据能令人信服的直接用于实际工程。 （1）实验室能提供有用的数据，因实际Re等与实验室有差别，实际海况与实验室情况也有差别 （2）各实验室数据处理所采用的方法、波浪理论不同，有些试验结果间有较大差别 将试验结果应用于工程设计中应谨慎，应尽量结合海试结果。,规范建议及各种形状结构物水动力系数,各种形状水动力系数 日本土木工程学会,非规则形状的结构物水动力系数 （1）近似处理，简化为形状接近的规则物体水动力系数 （2）数值计算 （3）实验,3-4 结构间相互作用,桩柱群中，存在相互干扰 串列,垂直与波向（并列）,1 平行于波向排列，前柱尾涡区受后柱反作用，后柱受前柱屏蔽作用，后柱波浪力减小，前柱波浪力增加； 2 垂直于波向排列，由于柱间阻塞效应，波浪力增加。 相关实验： 1982，Charabati将2，3，5个柱体直立于波浪水槽 结论： a、s/D2.0时，CD,CM,CL 与单柱无重大差别,遮蔽效应与阻塞效应取决于s/D, 当s/D=4时，可忽略 我国港口工程技术规范规定 s/D4时，水平力和力矩计算公式： K为群柱系数,3-5 自由表面影响,用线性理论计算作用在垂直构件上的波浪力时，常常计算至静水面。以下情况需考虑自由表面影响： （1）波动部分对柱体受力占重要比重时； （2）柱体绕流，在柱前水面升高和 柱后水面下降明显。 目前常用处理方法： A、大直径柱体： 压力分布，从海底直到静水面用线性 理论，自由表面动压力为 大气压，柱前静水面至自 由水面线性衰减，柱后用 线性绕射理论