波浪理论以及工程应用05学习教案

1、会计学1波浪理论以及工程波浪理论以及工程(gngchng)应用应用05第一页，共54页。波浪波浪(blng)周期性水质(shu zh)点运动结构主体弯矩振动(zhndng)断裂疲劳运动海洋结构物与波浪的相互作用海洋结构物与波浪的相互作用 第1页/共54页第二页，共54页。3 作用(zuyng)在结构上的波浪力根据结构(jigu)物的特征尺度，可以分为小尺度构件和大尺度结构(jigu)两种不同类型。其划分标准为：0.2D L 为小尺度构件(gujin) 入射问题；0.2D L 为大尺度构件 辐射问题辐射问题。例：例：自升式平台：D = O(1m), L=O(100m), D/L = 0.1 半潜

2、式平台：D = O(100m), L = O(300m), D/L = 0.3对于入射问题入射问题，通常可以用二维方法二维方法处理：Morison方程法方程法，对于辐射问题辐射问题，通常可以用三维方法三维方法处理：源汇分布方程法源汇分布方程法。第2页/共54页第三页，共54页。3 作用(zuyng)在结构上的波浪力第3页/共54页第四页，共54页。1 均匀流诱导均匀流诱导(yudo)荷载荷载物理模型：圆柱物理模型：圆柱(桩柱桩柱)：直径：直径D，一端垂直刚性固定在海底，一端垂直刚性固定在海底，另一端露出水面；另一端露出水面； 水域：刚性海底平行静止水域：刚性海底平行静止(jngzh)表面，水表

3、面，水深深 d, 均匀流速均匀流速 Vx. 坐标系：坐标系：xoz: ox 在静止在静止(jngzh)水面，沿水面，沿流方向；流方向； oz 垂直静止垂直静止(jngzh)水水面向上。面向上。求解问题：求解问题： 水流作用水流作用(zuyng)在单位长度竖直圆柱上的水平力和横向力？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第4页/共54页第五页，共54页。 水平水平(shupng)力：力：式中：D为桩柱直径，Vx为流速，Cd为相当于迎流面积(min j)的阻 力系数，212xdxfC DV为水密度(md)。阻力系数：Re,xdV D kCfD3.3 作用在结构物上的流荷

4、载第5页/共54页第六页，共54页。3.3 作用在结构(jigu)物上的流荷载第6页/共54页第七页，共54页。 横向横向(hn xin)力：脉动力：脉动21sin(2)2yllxsffC DVf t式中：卡门涡街释放(shfng)频率xsVfSDS 为Strouhal数。由下图可见(kjin)，通常 。0.2S 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。5xsV TD3.3 作用在结构物上的流荷载流流第7页/共54页第八页，共54页。3.3 作用(zuyng)在结构物上的流荷载第8页/共54页第九页，共54页。3.3 作用在结构(jigu)物上的流荷载第9页/共54页第十页，共5

5、4页。1. Phillips2. Schwabe3. Bishop et al.4. Keefe5. Gerrard6. Bingham et al.7. Macovsky8. Vickery et al.9. McGregor10. Humphreys11. Fung12. Schmidt13. Jordan et al.14. Macovsky15. Dawson et al.16. Weaver17. Goldman18. Bublitz19. Warren20. Schmidt3.3 作用在结构(jigu)物上的流荷载第10页/共54页第十一页，共54页。物理模型：物理模型：圆柱圆柱(

6、桩柱桩柱)：直径：直径D，一端垂直刚性固定在海底，另一，一端垂直刚性固定在海底，另一端露出水面端露出水面(shu min)； 水域：刚性海底平行静止水面水域：刚性海底平行静止水面(shu min)，水深，水深 d, 自由表面为线性波，自由表面为线性波，H/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(bz)时，可参照下表选用第39页/共54页第四十页，共54页。3. 作用在小尺度构件(gujin)上的波浪力非线性效应非线性效应(xioyng) 线性波作用下的波浪荷载取决于波浪作用下水质点(zhdin)的速度和加速度

7、。线性波的条件为/0.1H L 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。第40页/共54页第四十一页，共54页。3. 作用在小尺度(chd)构件上的波浪力 非线性影响非线性影响 - 海流海流(hili)速度的影响速度的影响第41页/共54页第四十二页，共54页。3. 作用(zuyng)在小尺度构件上的波浪力3.

8、4 计入构件计入构件(gujin)运动效应的波浪荷载运动效应的波浪荷载DpwuxzxHdL第42页/共54页第四十三页，共54页。 Morison方程(fngchng)中的阻力项,12d xdfC D ux ux其中速度(sd)平方项可近似为ux uxu uu x则有,111222d xdddafC D u uC D u xC D u uC x3. 作用在小尺度构件(gujin)上的波浪力第43页/共54页第四十四页，共54页。 Morison方程(fngchng)中的阻力项,111222d xdddafC D u uC D u xC D u uC x阻力(zl)项阻尼(zn)项其中 Ca 阻

9、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第44页/共54页第四十五页，共54页。 Morison方程(fngchng)中的惯性力项单位(dnwi)长度圆柱上水作用的惯性力：mfC m u 单位长度圆柱运动(yndng)引起的惯性力：fm x单位长度圆柱运动水作用的惯性力：mfC m x 惯性力之和：,1i xmfmffmfmfmfafC m uC m xm xC m uCm xC m um x3. 作用在小尺度构件上的波浪力第45页/共54页第四十六页，共54页。 Morison方程(fngchng)中的惯性力项惯性力之和：,1i

10、xmfmffmfmfmfafC m uC m xm xC m uCm xC m um x惯性力项附加(fji)水质量惯性力项其中(qzhng)：24fDm3. 作用在小尺度构件上的波浪力第46页/共54页第四十七页，共54页。 Morison方程(fngchng)中的惯性力项惯性力之和：,1i xmfmffmfmfmfafC m uC m xm xC m uCm xC m um x惯性力项附加(fji)水质量惯性力象构件运动带有附加(fji)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第47页/共54页第四十八页，共54页。水平(shupng)力=阻力(zl)项+阻

11、尼(zn)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2,212xd xi xdamfadxdud xfffC D u uCC mmdtdtdt第48页/共54页第四十九页，共54页。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(yn wi)，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(chd)构件上的波浪力第49页/

12、共54页第五十页，共54页。3. 作用在小尺度(chd)构件上的波浪力 1美国石油学会 作用在构件(gujin)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(shngchn)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。第50页/共54页第五十一页，共54页。3. 作用在小尺度构件(gujin)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(xin du yn dn)形式的Morison方程。CM、CD和CL值是Re、KC、St、粗糙度和其他构件或边界的靠近程度的函数。光滑柱体的CD最小值为09。R63*105、KC60时CL最小值为0.2。高Re和KC数时，推荐CD和CL的定常流值。计算作用在小构