自升式平台桁架腿波流载荷分析与实验研究优秀毕业论文.pdf

l 飞 jil h 自升式平台桁架腿波流载荷分析 与实验研究 a n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a ls t u d y o f 嘶i v e c u r r e n tl o a d so n j a c k u pt r u s s t y p el e g 学科专业 船舶与海洋结构物设计制造 研究生 高畅 指导教师 杨树耕教授 天津大学建筑工程学院 二零一零年五月 一令一苓 牛血月 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果 也不包含为获得鑫鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意 学位论文作者签名 而串白 签字日期 如 口年 月 汐日 学位论文版权使用授权书 一 二 本学位论文作者完全了解盘盗盘堂有关保留 使用学位论文的规定 特授权墨洼盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 岛扔 签字日期 沙f 叮年5 月lg 日 导师虢彬树利 签字日期 2 d 护年占月 分日 中文摘要 自升式平台桁架腿作为平台的支撑结构 承受着较大的波浪以及流载荷作 用 在波流载荷分析中 以桁架腿整节距作为研究对象 确定其水动力系数的取 值范围与变化规律具有很重要的实际意义和应用价值 本文并针对如何应用莫里森方程解决自升式平台桁架腿波流载荷的问题 在 国内首次设计并进行了桁架腿局部模型实验以及圆柱弦杆模型实验 实验以9 0 米水深自升式平台侧k 型桁架式桩腿为原型 测量了结构所受的流力以及波浪 力 利用a n s y s 有限元软件作为辅助计算工具 建立侧k 型桁架腿局部模型以 及其圆柱弦杆的有限元模型 在实验前期 对模型的设计与实验方案的可行性进 行分析与验证 在实验后期 对采集的实验数据整理计算 得出拖曳力系数c d 及惯性力系数c m 的取值范围 绘出c d 及c m 系数随雷诺数 或k c 数的变化曲线 找出其中的规律 并 给出推荐取值 桁架腿局部模型的c d 系数随流载荷入射角度的不同差别较大 这是由于遮蔽效应引起的 对于遮蔽效应不明显的0 度入射方向 c d 值分布在 0 9 5 1 1 之间 对于桁架腿圆柱弦杆的c m 系数 大体分布在1 7 9 1 8 5 之间 本文的研究为今后自升式平台桁架式桩腿波流载荷计算中 水动力系数的选 取提供了参考 同时本次实验的方案和方法也对今后桁架式桩腿波流载荷实验的 设计起到一定的借鉴和指导意义 关键词 波浪力流力拖曳力系数c d 惯性力系数c m 桁架腿模型实验 a bs t r a c t f i r s t l y t h ec a l c u l a t i o np r i n c i p l ea n da n a l y s i sm e t h o do fw a v ea n dc u r r e n tf o r c e s o ns m a l lb o d i e sa l es u m m a r i z e di nt h i st h e s i s t h es o l v i n gm e t h o d sa n di n f l u e n c i n g f a c t o r so ft h ed r a gc o e f f i c i e n tc da n dt h ei n e r t i ac o e f f i c i e n tc ma r ed i s c u s s e d a n di n v i e wo fh o wt oa p p l yt h em o r r i s o ne q u a t i o nt os o l v ef o rw a v ea n dc u r r e n tl o a d so n t r u s sl e g so fj a c k u pp l a t f o r m b a s e do np r o t o t y p eo fk t y p et r u s sl e go f9 0 mw a t e r d e p t hj a c k u pp l a t f o r m d e s i g n e da n dc a r r i e do u tm o d e lt e s t so fl o c a lt r u s sl e ga n d c y l i n d r i c a lc h o r d i ti st h ef i r s tt i m ei no u rc o u n t r yt os t u d yt h ew a v ea n dc u r r e n tl o a d s b yt a k i n gt h el o c a lm o d e lo ft r u s sl e ga st h er e s e a r c ho b j e c t b yu s i n ga n s y s f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r ea sac o m p l e m e n t a r yt o o l s a ta ne a r l y s t a g e d e s i g n e dt h em o d e lt e s ta n da n a l y s i st h ef e a s i b i l i t yo fe x p e r i m e n t a n dl a t ei n t h ee x p e r i m e n t c o l l e c t e da n dc a l c u l a t e de x p e r i m e n t a ld a t a t h e no b t a i n e dt h ev a l u e r a n g eo fd r a gc o e f f i c i e n tc da n di n e r t i ac o e f f i c i e n tc m d m wt h ec u r v ec h a r t sw i t ht h er e y n o l d sn u m b e rr eo rk c f o u n dt h el a w a n d t h er e c o m m e n d e dv a l u e s t h er e m i t sp r o v i d er e f e r e n c ef o rt h es e l e c t i o no ft h ev a l u e o fh y d r o d y n a m i cc o e f f i c i e n tf o rt h ef u t u r e a tt h es a m et i m e t i l e e x p e r i m e n t a l s c h e m ea n dm e t h o dp r o v i d es o m es i g n i f i c a n c ef o rr e f e r e n c ea n dd i r e c t i o no f a n a l y s i s o nd e s i g n i n gt h ew a v ea n dc u r r e n tl o a d st e s to ft r u s s l e g k e yw o r d s w a v ef o r c e c u r r e n tf o r c e d r a gc o e f f i c i e n tc a i n e r t i ac o e f f i c i e n t c m t r e s sl e g m o d e lt e s t o t 目录 第一章绪论 1 1 1 课题来源及研究意义 1 1 2 国内外研究动态 2 1 3 本文主要研究内容 7 第二章小尺度桩柱结构波浪载荷分析基本原理 8 2 1 柱体的绕流现象 8 2 1 1 绕流拖曳力 8 2 1 2 绕流惯性力 lo 2 2 莫里森方程 1o 2 3 对拖曳力系数c d 及惯性力系数c m 的分析 1 3 2 3 1 确定c d 及c m 值的方法 13 2 3 2 影响c d 及c m 值的因素 1 6 2 3 3 工程实用上建议采用的c d 及c m 值 2 l 2 4 使用莫里森方程解决桁架腿波流载荷所面临的问题 2 1 2 4 1 水动力系数的确定 2 l 2 4 2 桩群的波剖面影响 干扰与屏蔽效应 2 2 2 4 3 倾斜圆柱杆件上波浪力的计算 2 3 第三章波流载荷模型实验 2 5 3 1 实验目的及背景 2 5 3 2 试验模型简介 2 6 3 2 1 侧k 型桁架腿模型 2 6 3 2 2 桁架腿圆柱弦杆模型 一2 8 3 3 试验中的剪力测量原理 2 9 3 a 实验内容及测量结果 3 0 3 4 1 自升式平台桁架腿流载荷模型实验 3 0 3 4 2 自升式平台桁架腿圆柱弦杆波流载荷模型实验 3 2 第四章有限元模型的建立 计算与结果分析 3 5 4 1 实验模型计算分析中采用的a n s y s 单元 3 5 4 1 1p i p e 5 9 单元特性 3 5 4 1 2p i p e l 6 单元特性 3 9 4 1 3s h e l l 6 3 单元特性 4 0 q 4 1 ab e a m l8 8 单元特性 4 1 4 1 5m a s s 2 1 单元特性 4 l 4 2 有限元模型的建立与简化 4 2 4 2 1 侧k 型桁架腿局部模型 一4 2 4 2 2 桁架腿圆柱弦杆模型 4 4 4 3 计算结果及分析 4 8 4 3 1 侧k 型桁架腿局部模型 9 0 度 4 8 4 3 2 侧k 型桁架腿局部模型 0 度 5 0 4 3 3 桁架腿圆柱弦杆模型 5 3 第五章结论 6 3 参考文献 6 4 发表论文和科研情况说明 6 7 致 射 6 8 一 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题来源及研究意义 第一章绪论 随着世界经济的不断发展 能源的大量消耗日益成为人们关注的话题 中国 能源面临的最大忧患 是石油的供应越来越依靠进口 2 0 0 9 年中国进口石油约 2 0 4 亿吨 比上年增长约1 4 中国石油消费的进口依存度已达5 2 这标志 着我国国内能源供求将更多受制于国外 想根本改变这一局面只有增加国内石油 的开采量 而目前大陆能源已日趋紧张 可供开采的后备储量也越来越难以找到 我国大陆架海域约为1 3 0 万平方公里 是世界上最有希望的产油区域之一 1 1 因 此海底石油资源的开发利用是解决我国能源问题的重中之重 海洋平台结构是海上油气资源开发的基础设施 是海上作业生产和生活的基 地 由于海洋气候及地理条件的复杂性 海上结构物所承受的荷载种类及量级的 变化范围都要比陆上遇到的荷载大得多 海洋平台的环境载荷主要包括风 海流 波浪 地震 浮冰等等 其中波浪和海流载荷 通常是海上结构物的控制载荷 它对工程的造价 安全度及寿命起着非常重要的作用 所以在海洋平台的设计与 计算中应重点考虑波流载荷对结构的影响 从结构形式上来看 海洋平台主要分为固定式平台 活动式平台和顺应式平 台三种 活动式平台的种类很多 其主要特点是能够自由移动 转换作业地点 自升式平台作为活动式钻井平台的主要形式之一 产生于1 9 5 1 年 占四种常用 活动式平台的三分之二以上 它以较好的移动性 作业的稳定性以及各种水深的 适应性广泛应用于海洋资源开发的各个领域 其数量也在不断增加 在活动式平 台家族中占据主要地位 自升式平台的桩腿作为平台的支撑结构 需要承受各种环境载荷的作用 并 将这些载荷传递给海底地基 对于作业水深在6 0 米以上的自升式平台 通常采 用桁架式桩腿 其结构主要由弦杆 水平腹杆 斜腹杆和水平撑杆组成 为降低 阻力 这些杆件一般采用圆形管材 2 桁架的横截面一般包括三角形和正方形两 种结构形式 图1 1 给出桁架式三角形桩腿结构示意图 由于桁架式桩腿是透空 结构 所受的波浪力比壳体式桩腿要小得多 并且波浪力的大小以及桩腿自身重 量都不会随着水深的增加而大幅度增大 因此桁架式桩腿结构在自升式平台中得 到广泛应用 由此可见对于自升式平台桁架腿波流载荷的研究 具有很重要的实 际意义和应用价值 曲 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 7 二丌 r 暇 r西t 暇什il 一一 i 刁 1 1 1 1 1 a 仇 i y 1 1 a 土3l 1 1 1 0 r r 卜卜卜卜r 卜 r r r 入f j11 1n r 卜r i f 口 桁絮式桩礁示掌豳 孪撕 b 横崎面图 e 弦杆与齿采 图1 1 桁架式三角形桩腿结构形式 工 对于海洋结构物波流载荷的研究方法 一般可分为理论计算和模型实验两 种 从图1 1 中可以看出 桁架式桩腿是由多根圆柱桩组合而成的群桩结构 各 杆件的尺寸及方向各不相同 如果按照传统的方式分别考虑垂直 水平与倾斜杆 件的波流载荷 再考虑杆件之间的遮蔽作用与干扰效应对整体波流力的影响 工 作量极大 目前在工程中以及有限元计算软件中广泛应用的方法一般是仅考虑主 要弦杆的波流载荷 引用水动力系数的经验值 这种方法虽然简便易行 但计算 结果不精确 因此通过桁架腿的模型实验来确定桩腿整体的c d 及c m 系数的方法 具有很重要的研究价值 1 2 国内外研究动态 波流载荷的计算中 为了区分小尺度构件和大尺度构件波流力的计算 通常 以结构物尺度与波长的比值作为标准 当比值d l 0 2 时 称其为小尺度结构 物 其中d 是物体的特征长度 l 为波长 此时认为构件的存在对波浪运动无 显著影响 波浪对结构物的影响主要是粘滞效应和附加质量效应 而当d l 0 2 时 称其为大尺度结构物 在本文中不予讨论 在海洋环境中 桁架式桩腿可视为相对波长而言直径很小的圆柱桩组合结 构 5 0 年代初 m o r i s o n 提出一个半经验公式来计算不稳定流动条件下 黏性流 体对直立圆柱的作用力 即莫里森方程 它是基于小尺度结构物原理的基础上计 算波浪力 即认为当构件直径与波长的比值d l 0 2 时 波浪场的传播将基本 2 天津大学硕士学位论文第一章绪论 上不受桩柱存在的影响 莫里森方程中构件所受波浪力由两部分力组成 一部分 是由未扰动的波浪速度场所产生的速度力 另一部分是由波浪加速度场所产生的 加速度力 3 1 这个方程以其明确的物理意义和简单的形式 一直应用于小尺度单 桩柱波流作用力的计算 但莫里森方程也存在着很大的局限性 如拖曳力系数 c d 和惯性力系数c m 的不确定性等 对此专家学者们给出过很多评论 一些人持 否定态度 认为该方法既无严密的理论基础 应用又有问题 因此应尽快发展新 的理论与计算方法以取代它 但大部分人采取的是基本肯定并寻求克服其所存在 缺点的办法 迄今为止 企图提出新理论的尝试并不少 但目前还没有任何一个 能够足矣取代莫里森方程 因此 迸一步确定水动力系数c d c m 的计算方法及 变化规律是目前更为实用的课题 1 9 5 8 年 k e u l e g a n 和c a r p e n t e r 给出了系统的拖曳力和惯性力系数的傅立叶 平均值计算方法 提出由于在波浪中流速及加速度均随着时间做周期性地变动 则水动力系数c d c m 也应在一个周期内统一加以考虑 即可以在一个周期中用 傅立叶分析法来取均值 称其为傅立叶分析均值 他们通过模型实验测量了作用 在圆柱上的波浪力 应用理论上导出的水质点速度及加速度值计算c d c m 系数 4 o 1 9 6 9 年 w i e g e l 通过实验发现拖曳力系数和惯性力系数不管是取做雷诺数 r e 的函数还是取k e u l e g a n c a r p e n t e r 数 k c u m t d 的函数 都显示出较大 的分散性 对于实验观测的c m 和c d 系数来说 其分散性可归结于以下几点原因 或者说是它们的联合作用 例如自由表面对波浪载荷的影响 规则的实验室波浪 与海浪不规则性的差异 以不适当的平均拖曳力系数来表示实际的非线性力的变 化 流体分离 涡旋形成的影响 某些额外重要参数的遗漏等等 5 1 9 7 3 年 m e r c i e r 则通过在静水中振动圆柱实验测出横向力 拖曳力和惯性 力系数 并发现就拖曳力系数c d 和惯性力系数c m 而论 与k e u l e g a n 和c a r p e n t e r 得出的结果十分吻合垆j 1 9 7 6 年 s a r p k a y a 通过实验发现 波浪的周期性对c d 和c m 系数的影响很 大 在振荡流中 k 数是一个非常重要的参数 对光滑圆柱构件而言 横向力 拖曳力和惯性力系数依赖于r e 数和k 数 而对粗糙圆柱构件 同一系数则存在 显著的不同 变得仅依赖于k 数和粗糙度 且几乎不依赖于雷诺数而服从某一 临界值l7 1 1 9 7 7 年 h o g b e ne ta l 曾针对光滑直立圆柱水动力系数的变化搜集了各个研 究学者的资料 建议性的给出了c d c m 系数随k 数变化的曲线如图1 2 所示 引 3 b q 天津大学硕上学位论文 第一章绪论 西 图1 2c d c 系数随k 数的变化曲线 置 1 9 8 0 年 s a r p k a y a 通过正弦振动流体实验 分析讨论了关于实验模型强迫 振动的一些问题 并考虑了构件的存在对环绕其流动的流体所产生的影响 研究 发现 圆柱的拖曳力系数及惯性力系数大体上符合k e u l e g a n 和c a r p e n t e r 得到的 结果 作用在圆柱构件上的纵向力可能等于甚至小于横向力 振动频率依赖于 k 数 这一结果表明 在结构设计时必须注意振动流体中的圆柱构件 不仅要 考虑横向力和纵向力两者的矢量和 并且还需考虑相对于结构自振频率的漩涡发 放频率 9 1 1 9 8 5 年 任佐皋等利用实测的波浪及水流图谱 分析实际的波面形状以及 水质点轨迹速度和加速度场 再根据孤立桩柱上实测的的波浪力过程线 计算了 水动力系数c d 及c m 的瞬时过程线 认为当k c 2 0 时 可采用c d 1 5 而当k c 4 0 5 0 时 可取c d 1 8 对阻力优势区域的小直径构件 可取平均惯性力系数c m 2 0 1 0 1 9 9 0 年 康海贵等人分析对比了多种波流力及水动力系数计算方法 得出 无论是纯波浪场还是波流共存场 无论是规则波还是不规则波 只要它们具有相 同的k 数 则其所对应的水动力系数c d 或c m 值就大体相刚 以上是国内外学者对单桩柱波流载荷的研究情况 在海洋工程结构物中 小 直径桩柱常以群桩的形式出现 在波浪作用下 群桩中各组成桩常与单桩柱的受 4 h q 天津大学硕士学位论文第一章绪论 力情况有较大差异 引起这种差异的原因称为群桩效应 群桩效应除与相对桩距 桩柱个数以及排列方式等几何因素有关外 还与波浪要素及波态 是否为规则波 有很大关系 由于桩群周围的波动场为涡动场 目前理论上很难描述 因此普遍 采用模型实验的方法进行研究 下面对组合桩柱波流载荷实验分析的国内外进展 情况予以简要介绍 1 9 7 5 年 s a r p k a y a 用震荡水流进行了两个桩的模型实验 桩心间距为1 5 3 5 倍桩径 对于横向排列形式 当桩心距大于桩径的2 5 倍时 拖曳力系数和惯性 力系数与相应孤立桩的系数值相纠1 2 1 9 7 7 年 b u s h n e l l 利用振荡水洞 研究了两桩柱和3 x 3 组合桩柱的相互干 扰和影响 指出这种干扰随相对流动位移的增大而增大 受遮蔽的桩柱其最大阻 力可减小到单桩柱情况的一半 1 3 j 1 9 7 9 年 g h a k r a b a r t i 在波浪水槽中测出了并行排列且桩心距从4 1 0 倍桩径 的两桩柱 三桩柱和五桩柱的波浪力 实验发现水动力系数依赖于k 数和相对 桩距 1 4 1 1 9 8 5 年 孙绍述等人利用实验得出以下几点结论 平行于波向排列的单排 桩柱 各个桩径的实测数据十分接近 波浪场中各桩柱受到的影响大致相同 桩 径相关系数r 大多在o 8 以上 垂直波向排列的单排桩柱 各个桩径实测数据绘 成的回归线为一条逐渐趋近于l d 4 的曲线 各曲线的相关系数大多在0 8 以上 或接近o 8 相关性较好 若桩柱以方阵形式排列 当桩间距小于4 倍桩径时 就其整体而言由于群桩效应的存在 桩群将明显改变入射波的波浪场 对波浪及 水流产生的阻力要比各单桩柱阻力之和大 即群桩的整体所受的波流力要比单桩 受力的总和大 进一步得出在群桩影响系数 包括遮蔽和干扰系数 等因素中 因子s 桩间距 桩径的影响最为显著 且s 越小 其影响越大 当s 3 也就是 相对桩径l d 4 时 这种影响几乎不存在 可近似按单桩柱受力情况分析 波 高 波长 波周期以及水深对该系数没有显著影响 5 1 1 9 9 1 年 徐立论 王爱群等人通过实验研究了两桩柱 单排三桩柱 2 x 2 组合桩柱 3 x 3 组合桩柱 4 x 4 组合桩柱的波浪力 并与单桩柱受力情况相比较 结果表明 组合桩的波浪力不仅是桩间距和k 数的函数 同时也不能忽视桩柱 数目 排列方式及波浪方向对干扰系数的影响 尾流漩涡引起的横向与纵向合力 的作用大于纵向力的作用 且横向力的产生 发展又会直接影响到纵向力的大小 当桩柱间距很小时 桩群中某个桩柱的振动频率可能会急剧增加 即发生了超弛 振动 1 6 1 澳大利亚学者n h a r i t o s 等在实验室中制造出规则波 不规则波和扫描正 弦波 s w e p ts i n ew a v e s 研究作用在单桩柱 双桩柱串列 并列 斜列 4 5 度 5 天津大学硕士学位论文第一章绪论 角 以及方阵式排列的四桩柱内桩上的波浪力 其中l d 在1 5 5 之间 k c 数在1 1 5 之间 规则波中c d 和c m 系数通过时域最小二乘法来确定 水质点的 速度采用微幅波理论来确定 对于不规则波和s s w 假定c d 和c m 系数为常数 通过频域最d 乘法 给出c d f k c c m f k c 的相关曲线图 结果表明 仅当 l d 5 2 0 时群桩效应才显著 并对c d 系数影响较大 l 李玉成等人研究了不规则波和顺流联合作用于并列双桩柱的情况 采用时域 和频域法对作用于整个桩柱上的正向力 横向力及其合力进行了分析 结果表明 群桩系数与k 数和相对桩距两个因素密切相关 1 引 2 0 0 2 年 王爱群等研究了两桩柱 2 x 2 组合桩柱的波浪力 并与单桩柱相比 较 通过实验求得群桩之间相互的干扰影响 研究表明 组合桩柱的波浪力是 k 数和相对桩距的函数 同时受波浪入射方向 桩柱排列方式和桩柱个数的影 响 蚓 2 0 0 3 年 余志兴等人研究了大数量群桩波浪力的特性 基于特征函数展开 和矩阵求逆的方法 导出了一种计算大数量群桩波浪力的递推算法 数值结果表 明 周期性分布的桩柱阵列中 在某些特定的波浪频率下 存在 波浪俘获 现 象 当发生波浪俘获时 波浪力的幅值可呈几倍到几十倍增加 采用不等间距的 桩柱排列方式 可有效减小桩柱在特殊频率下受力幅值的激增 2 们 2 0 0 4 年 皇甫熹等在上海交通大学风 浪 流试验水池中进行了作用在群 桩上的不规则波流力实验 群桩模型由直径为5 0 m m 斜率不同的8 根桩组成 实验结果表明 群桩中各单桩以及群桩总体的折减系数受流速及水深的影响较 大 且在同一流速和水深条件下 随l c 数的不同而变化 2 1 j 2 0 0 9 年 吴家鸣等以不同直径 方向和长度的圆柱形杆件构成的桁架式近 海结构物为对象 首先逐一计算组成桁架式结构的每根杆件的波浪力 然后对这 些杆件的波浪力进行叠加从而得到结构物的整体波浪力 在此基础上分析在不同 的波高 波周期以及波浪入射方向等环境条件下结构的动力响应 了解不同的结 构成分对整体波浪响应的贡献及影响 观察不同的结构形式与波浪荷载响应的关 系 为结构物在波浪环境下整体极限波浪荷载的评估提供依据瞄 6 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 3 本文主要研究内容 本文首先对小尺度结构物的波流载荷的计算原理以及分析方法进行了总结 对拖曳力系数c d 及惯性力系数c m 的求解方法和影响因素予以分析讨论 并针对 如何应用莫里森方程解决自升式平台桁架式桩腿波浪以及海流载荷的问题 设计 并进行了自升式平台桁架腿局部模型流载荷实验和桁架腿圆柱弦杆波流载荷实 验 推算拖曳力系数c d 及惯性力系数c m 的值 以及他们随雷诺数 和k 数变 化的曲线 从而分析比较得出规律 对于波流载荷模型实验的研究 以往国内外 学者们大多采用单桩柱或矩阵式组合桩柱作为研究对象 而本次实验是国内首次 直接以桁架腿局部模型作为研究对象的波流载荷实验 本论文的具体研究内容有以下几个方面 1 搜集 整理国内外对于作用在小尺度结构物上波浪以及海流载荷实验研 究的相关资料 并对已有的相关实验的内容和结论进行深入分析 提出本论文的 实验目的 实验方案及内容 2 针对自升式平台桁架式桩腿波浪以及海流载荷的分析问题 以9 0 米水深 自升式平台侧k 型桁架式桩腿为原型 设计了桁架腿局部模型实验以及圆柱弦 杆模型实验 实验在天津大学船舶试验水池进行 共分前后两个阶段 分别测量 得到了桁架腿局部模型流载荷以及圆柱弦杆模型流载荷和波浪载荷 3 利用a n s y s 有限元软件作为辅助计算工具 建立侧k 型桁架腿局部模 型以及其圆柱弦杆的有限元模型 在实验前期 对模型的设计与实验方案的可行 性进行分析与验证 在实验后期 对采集的实验数据整理计算 得出拖曳力系数 c d 及惯性力系数c m 的取值 4 以莫里森方程的基本理论为基础 分析通过实验求得的c d 及c m 系数 绘出其随雷诺数 及k 数的变化曲线 与已有的研究成果相比较 并找出其中 的变化规律 同时给出c d 及c m 系数的取值范围及推荐值 为今后自升式平台桁 架式桩腿波流载荷计算中 水动力系数的选取提供参考 同时本次实验的方案和 方法也对今后桁架式桩腿波流载荷实验的设计起到 定的借鉴和指导意义 7 天津大学硕士学位论文第二章小尺度桩柱结构波浪载荷分析基本原理 第二章小尺度桩柱结构波浪载荷分析基本原理 近海结构物 尤其是采油平台通常是由许多圆柱体构件组合而成 这些构件 的直径与入射波的波长相比尺度较小 在上一章中提到 波流载荷的研究中 通 常将结构物的直径与波长比满足d l o 2 的构件称为小尺度结构物 并认为其 存在对波浪运动无显著影响 此时波浪对结构物的作用主要为粘滞效应和附加质 量效应 为了说明波浪力计算中各项的基本性质 我们先从流体力学的基本规律 对绕流圆柱体的波浪作用作一般性分析 2 1 柱体的绕流现象 当流体为理想状态 无黏性并做稳定的势流运动时 其前后及上下对称点的 附加压力也是对称的 大小相等 方向相反 同理推出其他各点的压力也对称并 相等 因而柱体各个方向所受的力是平衡的 即在理想状态下柱体上并无合力的 作用 然而实际上柱体因绕流而受到力的作用 是流体黏性特性所产生的现象 2 3 o 2 1 1 绕流拖曳力 当定常均匀水流以流速v o 绕过圆柱体时 沿着流动方向作用在圆柱体上的 力称为绕流拖曳力 它一般由摩擦拖曳力和压差拖曳力两部分组成 摩擦拖曳力是由于流体的粘滞性在圆柱体表面形成边界层 在边界层范围 内 流体的速度梯度很大 摩擦效应显著 能产生较大的摩擦切应力 流体作用 在柱体表面各点的摩擦切应力在流动方向上的投影总和 就是作用在圆柱整体上 的摩擦拖曳力 它与柱体表面附近边界层内的流体流态和柱体表面的粗糙度有 关 当流体运动的雷诺数较大时 边界层沿柱体外壁逐渐发展并产生分离现象 分离的水流在圆柱体后方产生尾流及涡漩 形成一个负压区 而前方为正压区 前后的压力差形成一个作用力 称之为压差拖曳力 它是流体作用在柱体表面各 点的法向压应力在流动方向上的投影总和 与柱体表面附近边界层内流体的流态 和柱体沿流向的形状有关 可见绕流拖曳力的产生和变化与边界层在柱体表面的形成 发展和分离密切 8 天津大学硕士学位论文 第二章小尺度桩柱结构波浪载荷分析基本原理 相关 柱体后方尾流区所释放的涡流可能有如下几种状态 l 对称且同步释放等强涡漩 当5 1 5 1 4 0 时 通常以某一确定 频率从圆柱体的两侧交替泄放大小近似相等 方向相反的漩涡 这些漩涡形成了 具有一定规则的排列次序 这种有规则交错排列的二行涡列被称为卡门涡街 简 称涡街 此时由于漩涡的不对称性就会产生垂直于水流方向的横向升力 由于尾流涡街的形成 圆柱体除了受到沿流向稳定的拖曳力f 以外 还受 到一个平行于流向的脉动拖曳力f 和垂直于流向的脉动横向力f l 脉动拖曳力 频率为脉动横向力的两倍 而脉动横向力的频率则等于漩涡泄放频率 在工程设 计中 对处于海流中的圆柱状结构 应对卡门涡流引起结构共振的可能性进行研 究 若漩涡泄放频率接近于构件的自振频率 将出现涡激共振 造成海上细长杆 件的振动与疲劳问题 这是很不利的情况 应在平台结构设计中尽量予以避免 漩涡泄放频率可按照下式计算 f s 圪 d 公式 2 i 式中 圪 垂直于构件轴线的流速 m s d 一圆柱构件直径 m s 斯特哈尔数 s t r o u h a l 数 若已知雷诺数 可从图2 l 中查 出斯特哈尔数s o 图2 i 斯特哈尔数一雷诺数曲线 9 天津大学硕士学位论文第二章小尺度桩柱结构波浪载荷分析基本原理 2 1 2 绕流惯性力 非定常绕流运动中流体对圆柱体的作用 除了拖曳力外还有流体加速度引起 的惯性力 设流体是不可压缩的理想流体 在流场中有一个排水体积为v o 的圆 柱体固定于其中 若暂不考虑柱体对流场的影响 即假定流场内压强分布不因柱 体的存在而改变 那么可以想象 将柱体的边界作为加速流体边界的一部分 也 就是被柱体置换的那部分体积内的水体 它本来应该以该处相应的加速度作加速 运动 但实际上由于柱体的存在 这部分体积的水体将被减速至静止不动 因此 加速的流体将对排水体积为v 的柱体沿流动方向有一个惯性力作用 这个惯性 力就是未受柱体存在影响的流体压强对柱体沿流动方向的作用力 把它称为弗汝 德一洛夫力f 但柱体的存在 必将使柱体周围的流体质点受到扰动而引起速度的变化 从 而改变原来流场内的压强分布 这种变化在柱体表而附近为最大 随着与柱体之 间距离的增加而逐渐减小 衰减规律取决于流体的流动方向和柱体截而形状 所 以 柱体的扰动使柱体周围改变了原来运动状态的那部分附加流体的质量m 沿 流体流动方向也将对柱体产生一个附加惯性力 又称附加质量力 因此加速的流 体沿流动方向真正作用在柱体上的绕流惯性力应为上述两部分之和 晗劓 2 2 莫里森方程 莫里森方程是以绕流理论为基础的半理论半经验公式 它的基本假定是柱体 的存在不影响波浪的运动 亦即波浪速度及加速度仍可按原来的波浪尺度并由采 用的波浪理论加以计算 这一假定对于小直径桩柱而言是可以接受的 莫里森等 人认为波浪对柱体的作用主要是粘滞效应和附加质量效应 因此所产生的波浪力 由以下两部分组成1 2 5 j 1 惯性力f i 由于柱体的存在 使柱体所占空间的水体必须由原来处于波 浪运动之中变为静止不动 因而会对柱体产生一个惯性力 它等于这部分水体质 量乘以它的加速度 由于这部分体积中各点的加速度并不相同 为此可取柱体中 轴线处水质点加速度以代表该范围的平均加速度 另外 除了柱体本身所占据的 水体外 其附近一部分水体也将随之变速 这部分水体的质量称为附连水质量 因此真正作用于柱体上的质量应乘上一个质量系数 该质量系数即等于惯性力系 数c m l o 天津大学硕士学位论文 第二章小尺度桩柱结构波浪载荷分析基本原理 则 其中 e z z 巳必y 塑a t 巳p 孚鲁心 f t c m 百刀d 2 聂a u c m 1 c m 式中 单位高度柱体上所受的惯性力 d 柱体直径 p 海水密度 公式 2 2 公式 2 3 公式 2 4 q 附连水质量系数 2 速度力f d 亦称拖曳力 在稳定流动条件下 当流体流态为紊流时 拖曳力为 则 乃 厶 z c 一詈d 2 z 厶 c d l z a d 2 公式 2 5 公式 2 6 在波浪运动中 考虑水流的往复性 拖曳力也有往复性 即有正有负 因而 式中的 1 2 项应该为u l u l 同时拖曳力系数c d 也应按不同流态取适当的数值 则 拖曳力公式可表述为 以 c a 1 2 ad 卜 则作用在单位高度柱体上总的波浪力为 f t 七 a 公式 2 7 公式 2 8 式 2 3 2 7 2 8 即为莫里森方程求柱体波浪力的几个基本方程 其 天津大学硕士学位论文 第二章小尺度桩柱结构波浪载荷分析基本原理 中水质点的速度与加速度取决于波浪基本参数及水深 他们不仅随从水面到力的 作用点的距离不同而变化 且也随波浪相位的不同而变化 2 6 1 如图2 2 所示 因 此若设在柱体的一小段长度d s 上的波压力为d f 时 则积分可得到桩柱上承受的 总波浪力f f 尸l 三q 妣ii 巳署此卜 公加圳 式中7 7 瞬时波面高度 卜水深 一i k r l i w i a 7i 哪 最大力 s 也 直 一拨窝 钟二 一 水 煳酬删燃海底 图2 2 圆柱桩在水中的压力分布 在莫里森方程中 c d 为垂直于柱体轴线方向的速度力系数 亦称拖曳力系 数 它集中反映了流体粘滞性引起的粘滞效应 与雷诺数r 和柱面粗糙度占有 关 c m 为惯性力系数 它集中反映了由于流体的惯性以及柱体的存在 使柱体 周围流场的速度改变而引起的附加质量效应 拖曳力系数c d 及惯性力系数c m 为经验系数 它主要取自模型实验及原体观测 由于他们随雷诺数 的改变而 有剧烈变化 因而目前强调在工程实用上应取原体观测的数据 另外由于速度及 一 加速度场的观测比较困难 所谓实测的c d 及c m 值 指的是由实测波浪力和波要 素按一定的波浪理论计算水质点速度及加速度 再推求而得 所以c d 及c m 值的 应用必须对应于一定的波浪理论 莫里森方程在形式上是相当简单的 但要正确使用它来计算波浪力 却又是 1 2 天津大学硕士学位论文 第二章小尺度桩柱结构波浪载荷分析基本原理 相当困难的 因为其中隐含了大量假设 2 5 这些假设大致可分为以下几点 l 水质点瞬时速度和加速度必须根据选定的波浪理论求出 如线性波理论 斯托克斯波理论等等 并且假定波浪的特征不受结构的存在所影响 这样显然要 对所讨论的结构尺寸加以限制 即d l 0 2 其中波长l 的确定依赖于波浪理论 的选择及相应波浪参数的确定 2 c d 及c m 两个系数必须根据已有经验或实验来确定 因为阻力分量就是 定常流中物体所受的力 所以 拖曳力系数可通过测量定常流中作用在物体上的 力来确定 一般可根据模型实验或实体实验得到 但通常被测物体的特征难以确 定 因为拖曳力系数依赖于雷诺数 同时还依赖于模型或受测实体的表面粗糙度 因此 所得的阻力系数实际上表征了受测模型的平均性质 然而 实验所得的结 果却往往要应用于波浪中每个位置的计算 这就不可避免地要引入了不定因素 在相关参考文献中可以找到关于c d 值的资料 但由于结果较为离散 往往难以 得出统一的结论 s a r p k a y a 1 9 7 6 年 通过实验发现 波浪流的周期性对c d 及c m 值有重要的 影响 k 数在振荡流中是一个非常重要的参数 其主要结论如下 2 7 a 对于光滑柱体 拖曳力 横向力和惯性力系数依赖于雷诺数和k 数 b 对于粗糙柱体 相同系数有显著的不同 几乎不依赖于雷诺数而服从于 某一临界值 且仅依赖于k 数 c 横向力是总阻力的一个重要组成部分 在设计中应予以考虑 至于惯性力系数 对于一些规则形状的物体 可以从理论上确定c m 值 实 验上同样会将遇到确定c d 值时所遇到的问题 同时还应考虑采用加速度流所遇 到的问题 由此可见 虽然目前为止采用莫里森方程计算波浪力已取得较为满意的结 果 这一方程应用的关键在于选定一种适宜的波浪理论以及相应的拖曳力系数和 惯性力系数 2 3 对拖曳力系数c 及惯性力系数c 的分析 2 3 1 确定c 及c 值的方法 对于c d 及c m 值的确定方法 总体上可分为两大类 一类是数学计算法 另 一类则是实验测量法 对于实验测量法 各家采用的模型及实验方案各不相同 本文在第一章中给出了简要介绍 现在从数学计算法角度简单介绍如何确定水动 力系数 在波动水流中水质点速度及加速度均随时间而变 因而产生了不同的分 析计算方法 目前大体上有如下几种 2 3 1 1 3 天津大学硕士学位论文第二章小尺度桩柱结构波浪载荷分析基本原理 2 3 1 1 利用瞬时值计算c d 及c m 根据线性波理论 当c o s t o t 0 时 速度u 0 加速度锄 西有极值 利用该 瞬时波浪力资料 可计算出c m 值 当s 访c o t 0 时 速度u 有极值 而加速度抛 挑 0 取该瞬时波浪力资料可计算出c d 值 这种计算方法简单 但必须保证所取 瞬时资料中 水质点速度及加速度两个量一个值为极值 而另一个为0 由于波 浪的非线性效应 这个条件不一定成立 此外 还应考虑观测资料的一些不规律 性 为减小这种不规律性所造成的误差 有时对此瞬时附近的一小时段取多个值 逐个分析后进行平均 2 3 1 2 傅立叶分析法计算c d 及c m 在稳定流中 实验证明c d 及c m 系数为雷诺数恐 u d y 的函数 而在波浪 运动中雷诺数是周期性地变化的 美国学者k e n l e g a n 及c a r p e n t e r 发现系数c d 及c m 与k 数有关 其表达式为 等 公式 2 1 0 式中 u 姐 波浪水质点运动的最大速度 t 波周期 目前人们认为在波动水流中c d 及c m 系数同时与 及k 两个参数有关 k e u l e g a n 和c a r p e n t e r 1 9 5 8 提出由于在波浪水流中速度及加速度均随时 间而做周期性地变动 则c d 及c m 系数也应在一个周期中统一加以考虑 即在一 个周期中用傅立叶分析法来取均值 称其为傅立叶分析均值 他们认为波浪力方 程应为一奇函数 即在半个周期内异号 则 f 0 一f 0 兀 两2 f 2 a s i n 0 4 s i n3 0 4s 缸5 秒 公式 2 1 1 且c o s 8 b 3c o s 3 8 b 5c o s 5 0 公式 2 1 2 写成与莫里森方程相对应的表达式如下 1 4 天津大学硕士学位论文 第二章小尺度桩柱结构波浪载荷分析基本原理 式中取 两2 f 瓦 1 1 2 巴s 证p 2 3 s i n3 0 4 s 缸5 队 一 c d i c o s l 9 1 c o s 0 2 b 3c o s 3 0 b 5c o s 5 0 公式 2 1 3 泸 玩c o s 0 如果仅取与莫里森方程相同的项可得 丽2 f i t 2 巳s 证目一巳i c o s p i c o s 口 公式 2 1 4 值得指出的是 在此认为c d 及c m 系数与相位角8 无关 在雷诺数凡及k 数己知时波浪力为一常数 且当n 3 时 和b 各项均为0 将 2 1 4 式的等号两侧各乘以c o s 0 并对8 在 0 2 丌 范围内积分可得 c 百3 广辫口 公式 2 1 5 再将 2 1 4 式等号的两侧各乘以s i n 日 并对8 在 0 27 r 范围内积分可得 c 等广辫口 怵2 舶 由式 2 1 5 2 1 6 即可求得按傅里叶分析法计算所得的c d 及c m 均值 2 3 1 3 最4 乘法计算c d 及c m 值 设f 为波浪力的瞬时实测值 f c 为波浪力计算值 其误差为e 总误差可 表示为 e 2 帆一c 2 根据最d 乘法原理 所选用的c d 及c m 值应符合下列条件 1 5 公式 2 1 7 天津大学硕士学位论文 第二章小尺度桩柱结构波浪载荷分析基本原理 及 d e 2 一 0 d c d d e 2 一 一 0 d c m 则利用最小二乘法所得的c d u s 及c m l s 分别为 公式 2 1 8 公式 2 1 9 耻一等訾口 馘 2 2 0 c b c m 公式 2 2 1 由于瞬时值计算法不够准且 且误差较大 因此目前一般采用傅里叶分析法 或最 b 乘法作为计算c d 及c m 值的一般方法 2 3 2 影响c 及c 值的因素 通常根据尺度分析原理 认为柱体所受的无量纲化的波浪力取决于 丽2 f 竖d 等 鱼d 爿t 剐2 垅 脚吒 y j 一一 式中 i 圆柱长度 k l 柱壁粗糙度 由此推出 c a z 噼 r 毛 d t t 公式 2 2 3 及 c 埘 以 睇 r k l d t r 公式 2 2 4 上式表明 作为c d 及c m 系数最一般的表达式 它们应为k c 数k 雷诺 数 相对粗糙度k l d 及时问的函数 然而目前人们习惯性的认为c d 及c m 系 数与时间无关 这只是一种假定 其合理性将在今后予以讨论 如果暂时不计时 1 6 天津大学硕士学位论文第二章小尺度桩柱结构波浪载荷分析基本原理 间因素的影响 可得出 c a z k c r k l d 公式 2 2 5 巳 忆 r k l d 公式 2 2 6 1 9 8 1 年 美国学者s a r p k a y a 认为对于波动流或震荡流而言 雷诺数 并非 一个良好的相关参数 他建议用另一个参数口代替r e t 2 8 冠 k o d 2 r r 公式 2 2 7 参数口称为频率参数 于是相关函数式可转化为 q 石伍c 肛七l d 公式 2 2 8 c 伍c k l d 公式 2 2 9 其中 口k 由此可见 影响c d 及c m 系数的主要因素有 雷诺数 k 数 频率参数 声 以及柱体粗糙度和波浪相位 下面将分别按照光滑柱体以及粗糙柱体两方面 进行分析讨论 2 3 2 1 光滑壁条件下的c d 及c m 值 如前面所述 c d 及c m 值主要靠观测资料确定 而稳定流的资料并不适用波 动流状态 在实验室条件下要产生高雷诺数波浪场是非常困难的 因而发展了震 动流的实验设备叫7 形水洞 另外 国外学者也做了许多原型观测 其优点是 观测条件符合于实际应用情况 流态的雷诺数较高 同时缺点可总结为 1 波 浪很不规则 数据的离散性较大 2 天然情况波浪中往往同时存在水流 由于 波动流速场的观测很困难 所以造成波浪流与水流二者分离也十分困难 3 环 境条件难以控制 不易进行各个影响因素分离的系统性研究 4 迄今为止 仍 多以规则波作为设计