现代科技综述知识文库：海洋流体动力学

1、现代科技综述系列海洋流体动力学科技是人类区别于动物的重要文明之一，是人类对自然规律研究和利用的学科。本文提供对科技基本概念“海洋流体动力学”的解读，以供大家了解。海洋流体动力学是研究海洋流体与结构物相互作用的科学。流体的作用是海洋工程建筑物上的主要外部荷载，由于海上构筑物的昂贵投资，结构的安全性又与人员的生命密切相关，所以海洋流体动力学的研究对于设计经济，可靠的海上建筑物具有重要的意义。海洋流体动力学的主要特征是存在着自由水面和波浪的随机性，同时也存在着旋涡脱体等其它流体动力学中常见的现象。对于结构形式、波浪状况的不同，海洋流体中的各个因素对结构的作用起着不同影响。为了研究的方便，海洋流体动力

2、学进一步分为确定和不确定的问题，势流绕流和粘性、旋涡脱体等问题。在确定性分析中波浪被看作是单方向的、连续稳定的等振幅波动过程。然后根据这一前提确定波浪力的大小。在不确定性的分析中，波浪被看作是随机的波动过程，人们通过统计分析和频谱分析的方法确定结构上波浪作用力的统计分布值。当结构尺度与波浪尺度相比较大时，流体的惯性力起着主导的地位，流体的粘性和旋涡脱体产生的影响相比是较小的，流体可以假设为无旋、无粘的理想流体，流体与结构物的作用问题可以应用势流理论进行求解。当结构尺度较小时，流体的粘性和旋涡脱体所产生的作用则不能忽略，这时粘性拖曳力与惯性力往往具有相同的量级。另外，对于浮体和柔体性结构物的共振

3、响应、粘性和旋涡脱体引起的粘性阻尼，对降低结构的响应幅值起着非常重要的作用。当结构尺度与波浪尺度相比较小时，由于流体粘性和旋涡脱体引起的拖曳力是不能忽略的。对定常流对杆件引起的拖曳力，在流体力学领域早已做过了大量的研究。对于规则波浪对杆件引起的波浪力，Morison等(1950)提出了用水质点速度引起的拖曳力与水质点加速度引起的惯性力之和加以表达的形式。由于结构尺度很小，结构对流场的影响可以不予考虑。这一公式是被称为Morison公式。Morison公式是经验性的公式，其中的系数需要通过实验或现场资料确定。由于其公式的经验性质，其计算精度多少年来一直被人们所怀疑。但目前仍找不到有坚实数学基础的

4、理论方法，40多年来Morison公式被广泛地应用于海洋结构的设计中。Morison最早的工作只考虑了单纯波浪对垂直杆件的作用问题，其上的水平波浪力只是波浪水平运动分量的函数。实际中波浪有时是与水流共同存在的，杆件的方向往往是倾斜的，为了继续应用Morison方程，人们不得对其进行一些修正。对于波浪与水流共同对杆件的作用，1955年Sarpkaya将水平质点速度写成是波浪水平速度与水流速度之和的形式。对于倾斜的杆件，1958年Borgman应用杆件的方向运动分量进行计算。当杆件本身还在流体中运动时，人们应用流体与结构的相对运动分量进行计算。自然中的海浪都是非规则的。早期的研究都假设波浪为窄带的

5、高斯过程，在高斯过程的假设下，1967年Borgman通过相关函数的分析，求得了波浪谱到波浪力谱的传递函数以及Morison公式的线性化形式。随后，Borgman和Tung将其结果扩展到了波流共同对垂直桩柱的作用问题。对于倾斜杆件上的波浪力谱，1970年Malhotra和Penzien先将波浪力在横载面的两个正交方向上，表示成两个互相独立的形式，然后分别应用垂直杆件下的结果。对于随机过程，人们还常常应用概率统计的方法进行分析。1965年Pierson和Holmes在波高瑞利分布的假设下，通过窄谱分析求得了波浪力的概率分布函数。这一分布称为PiersonHolmes分布。当结构的尺度与波浪相比较

6、大时，结构对流场的影响已不能再加以忽略了，这时惯性力通常起着主导的地位。对于这样的问题人们通常应用势流理论进行求解。1954年MacCamy和Fuchs对一均匀垂直圆柱进行了求解，给出了经典的大尺度问题的解析解。随后，Garrett于1971年给出了截断圆柱上波浪力的解析表达；Yeung于1981年给出了截断圆柱上的水动力系数。对于任意形状的物体，其理论解一般是很难得到的，通常借助于计算机，采用数值方法进行求解。一种方法是直接应用板元法，如Garrison 1978年将物体表面离散成一组片元，然后通过联立方程组确定各片元上的源、汇强度。另一种为内、外域匹配的方法，在内域上应用边界元或有限元方法

7、，外域上应用级数展开或其它方法等等。Zienkiewicz 1978年曾综述了当时发展的4种外域处理方法。对于横截面不随水深变化的垂直桩柱，1974年Isaacson又进一步提出三维问题可以简化成二维水动力学问题，计算单元只沿水线布置，计算可以大大地简化。Morison公式中的系数与雷诺数的关系十分密切，在实验室波浪条件下得到的结果与自然海洋下的结果相差很大。因而人们自然地要着手于大雷诺数下的实验。1982年Sarpkaya在U型水槽中，通过振荡水流来模拟波浪的作用。1988年Chaplin通过拖动桩柱的方法来模拟大雷诺数下波浪对桩柱的作用。对Morison公式本身，近年来也提出了许多修正的形

8、式，1981年Sarpkaya提出了4项形式的计算公式以代替原来的两项形式。1991年Worden等提出了改进Morison方程的新方程，在原方程中除力项外又加进力的一、二阶导数项和力的平方项。对于倾斜杆件上波流力谱的计算，1991年Teng和Li提出了直接从Morison公式出发计算波浪力传递函数的方法。早期的研究中都是将波浪过程简化为平稳的、窄带的高斯过程，而实际海洋中的波浪，由于非线性、破碎等因素的影响，与上述假设有一定的出入。近年来人们开始做非窄带、非高斯过程下的研究，1983年Brouwers和Verbeek对宽带和窄带下波浪力的概率累积曲线做了对比，1984年Grigoriu求得了

9、波流下非高斯拖曳力的概率分布函数。对于粘性、旋涡脱体的数学计算的研究，不单限于海洋工程领域。目前二维涡方法已经可以成功地用于模拟剪切层演化，尾涡卷起，钝体的旋涡脱落和尾迹运动等一系列问题。对于三维问题，目前还只能处理定常或准定常问题。对于波浪对大尺度结构的一阶作用问题，1986年Eatock、Taylor和Jefferys，1992年Herfjord和Hydro分别对世界上几十个学校、研究机构的结果做了比较，发现部分结果仍存在着很大的不精确性。解决这一问题的办法，一是增加计算的单元，1992年Newman等应用了13952个单元来计算一个实际的张力腿平台；另一种办法是应用高阶的曲面单元。当波浪

10、较陡时波浪的二阶影响是不能忽略的。二阶力不仅仅是对总波浪力的修正，对于漂浮和顺应式柔性结构，二阶力还是共振响应和恒定漂移的根源。二阶力的计算目前主要有两种方法：一种是求得二阶势后再计算二阶力；另一种是Lighthill和Molin于1979年同时提出的应用一阶势间接地计算二阶力的方法，应用这一方法Eatock Taylor和Hu对垂直圆柱问题作了计算，中国的李宝元和吕玉麟应用有限和无限元方法也对该问题做了计算。1990年Kim和Yue计算了两个入射波共同作用时，轴对称物体上的和频和差频作用力。当结构做共振响应时，系统的阻尼对其反响的幅值有很大的影响，1984年Wichers和Huijsmans

11、的研究表明，在结构的低频振荡中波浪阻尼与粘性阻尼具有相同的量级，而波浪阻尼可以看作波流作用下的漂移力对流速的导数。因而，波流对大尺度结构的作用问题，近年来得到了许多学者的关注。1988年，Zhao等应用内外场匹配和摄动展开的方法对深水中漂浮物体做了计算，1992年，Nossen等应用板元法和摄动展开的方法；1933年，Eatock Teng又进一步应用高阶边界元进行计算。海洋流体动力学的进一步研究，一个方面是目前尚未解决的或者是由于计算手段、实验手段的限制而不能精确确定的问题；另一个是随着海洋的开发将要遇到的问题。从目前的研究和海洋工程不断地朝着深水发展的倾向看，进一步的研究热点将是：(1)波

12、流对小尺度桩柱作用的理论认识；(2)波浪对结构物的高阶作用；(3)结构高频、低频共振下阻尼和反响的确定。【参考文献】： 1 Morison J R, O. Brien M P, et al. AIME,1950,189:149 157 2 Borgman L E. Proc ASCE. 1967,93(2):128156 3 TungCC, Huang N E.OceanEngineering, 1973,2(4): 183 193 4 Lighthill M J. Int conf Behaviour of Offshore Structures, 1979,1 5 Molin B. Arplied Ocean Research, 1979,1 (4) : 197 202 6 Sarpkaya T.Ocean Engineering,1981.447468 7 Wichers J