海洋工程環(huán)境學(xué)課件

1《海洋工程環(huán)境學(xué)》EnvironmentalMechanicsofOceanEngineering2

本課程為主修船舶與海洋工程專業(yè)學(xué)生的專業(yè)課程，主要討論船舶與海洋結(jié)構(gòu)物營運(yùn)的海洋環(huán)境中的力學(xué)問題。主要內(nèi)容包括海洋環(huán)境因素(風(fēng)浪流)分析計(jì)算，波浪作用下的流場(chǎng)計(jì)算和船舶與海洋結(jié)構(gòu)物遭遇環(huán)境荷載及其運(yùn)動(dòng)回應(yīng)計(jì)算三部分。數(shù)理統(tǒng)計(jì)與概率論，流體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)為本課程的專業(yè)基礎(chǔ)。

課程摘要：

3船和海洋結(jié)構(gòu)物面對(duì)的海洋環(huán)境45678910111213141516印度洋海嘯亡者遺作171819EnvironmentalMechanicsofOceanEngineering《海洋工程環(huán)境學(xué)》200.海洋環(huán)境與海洋結(jié)構(gòu)物0.1海洋環(huán)境因素分析太平洋，大西洋，印度洋北極海，地中海，波斯灣墨，西哥灣，加勒比海北海，南?！Ｑ竺娣e為地球表面積的70.8%.—海洋體積為地球體積的0.127%.—海水的熱容量為空氣的3000倍，陸地的2倍。1海洋範(fàn)圍211-陸地，2-大陸架，3-大陸坡，4-大陸架海隆，5-海盆2海底地形0.1海洋環(huán)境因素分析22

大規(guī)模風(fēng)系：緯度

30o—東信風(fēng)(貿(mào)易風(fēng))；緯度

30o~60o—偏西風(fēng)；緯度

60o~90o—極地東風(fēng)。

中規(guī)模風(fēng)系：東南亞—颱風(fēng)

小規(guī)模風(fēng)系：海陸風(fēng)，山谷風(fēng)3風(fēng)0.1海洋環(huán)境因素分析23風(fēng)速與風(fēng)向：為距地面高度z的風(fēng)速與地面基準(zhǔn)高度z0的風(fēng)速之比，n取決於地面形狀。對(duì)於平坦地面和海面n=1/7,對(duì)於市街和森林地帶n=1/4.40.1海洋環(huán)境因素分析24不同地域風(fēng)速的比率：對(duì)於海風(fēng)：海面上風(fēng)速為近岸風(fēng)速的1.1—1.3倍；對(duì)於陸風(fēng)：海面上風(fēng)速為近岸風(fēng)速的1.1—1.8倍。50.1海洋環(huán)境因素分析251-平坦地面和海面；2-市區(qū)街道和森林60.1海洋環(huán)境因素分析26蒲氏風(fēng)級(jí)：0—12級(jí)：風(fēng)速0.0—33m/s(0.0—64kn)

浪高0.0—14m70.1海洋環(huán)境因素分析27波浪是指海洋表面的運(yùn)動(dòng)，是指風(fēng)生浪。波浪運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的，文學(xué)家說：海面形狀永不重現(xiàn)，數(shù)學(xué)家說：海面運(yùn)動(dòng)為隨機(jī)過程。描述波浪運(yùn)動(dòng)的參數(shù)無法以確定性數(shù)據(jù)來描述，只能用統(tǒng)計(jì)的語言來表達(dá)，回應(yīng)於特定的概率意義。

平均值

有義值

最大值

50年一遇最大值

100年一遇最大值

8浪0.1海洋環(huán)境因素分析28

表面張力波：H=1—2mm,T=~0.1s

風(fēng)生波：H=2—5m(H/L=0.03-0.05)(37m),0.1—30s

湧：P=10—30s，H/L=0.01—0.02

海嘯波：(24m)

風(fēng)暴波：孤立波，持續(xù)幾到幾十個(gè)小時(shí)假潮：發(fā)生在河灣，湖泊與港灣潮汐：週期為12.42小時(shí)(太陰半日潮)，12.00小時(shí)(太陽半日潮)

內(nèi)波：發(fā)生在不同密度的分界面上。90.1海洋環(huán)境因素分析29

海流：漂流，地轉(zhuǎn)流，傾斜流：

黑潮，親潮，阿留申海流，北太平洋海流，

北赤道流，赤道逆流，北太平洋黑潮，

澳大利亞海流，墨西哥灣海流，巴西海流。黑潮流速1—5kn,流量3-5千萬m3/s.10流0.1海洋環(huán)境因素分析30

潮流：由潮汐引起的，流速達(dá)10kn.

潮位：大潮小潮平均潮位平均潮升110.1海洋環(huán)境因素分析31

平均潮升小潮差大潮升大潮差小潮升大潮平均高潮位小潮平均高潮位平均潮位小潮平均低潮位大潮平均低潮位海圖基準(zhǔn)面平均海面(潮位)：年平均水位大潮：每月新月和滿月最高潮位的潮小潮：新月和滿月中間最低潮位的潮大潮平均高潮位：大潮高潮位年均值大潮平均低潮位：大潮低潮位年均值小潮平均高潮位：小潮高潮位年均值小潮平均低潮位：小潮低潮位年均值120.1海洋環(huán)境因素分析32EnvironmentalMechanicsofOceanEngineering《海洋工程環(huán)境學(xué)》330.2海洋結(jié)構(gòu)物

海洋生物開發(fā):魚貝類1億噸/年

海水資源開發(fā)：淡水，40億噸鈾，重水

海底資源開發(fā)：石油，天燃?xì)?；煤，錳結(jié)核

海洋能源開發(fā)：風(fēng)浪，海流，潮汐，溫差，密度差

海洋空間資源開發(fā)：機(jī)場(chǎng)，工業(yè)與生活0.海洋環(huán)境與海洋結(jié)構(gòu)物海洋開發(fā)3435363738394041

我國石油開發(fā)：遼河，大港，勝利，南海，東海

美國石油開發(fā)：墨西哥灣，海上石油裝備

歐洲石油開發(fā)：北海，地中海，海上石油裝備

俄國石油開發(fā)發(fā)：黑海，海上石油裝備

日本石油開發(fā)：北海道，海上石油裝備

其他地域石油開發(fā)：委內(nèi)瑞拉灣海洋石油開發(fā)0.2海洋結(jié)構(gòu)物42坐底式浮動(dòng)式海洋平臺(tái)固定式重力式座底式半潛式船式自升式深潛式海洋結(jié)構(gòu)物0.2海洋結(jié)構(gòu)物43固定式0.2海洋結(jié)構(gòu)物444546重力式0.2海洋結(jié)構(gòu)物4748自升式0.2海洋結(jié)構(gòu)物495051半潛式0.2海洋結(jié)構(gòu)物5253BG9000半潛式鑽井平臺(tái)854深潛式0.2海洋結(jié)構(gòu)物5556575859600.2海洋結(jié)構(gòu)物浮式海洋結(jié)構(gòu)物的系泊定位系統(tǒng)61放射型錨泊62懸臂式單點(diǎn)系泊63塔式單點(diǎn)系泊64內(nèi)塔式單點(diǎn)系泊65張力腿式系泊66半潛式浮筒系泊67懸臂式單點(diǎn)系泊68吊塔式系泊69外塔式系泊70獨(dú)柱式系泊71交通艇水面船高速艇水翼船氣墊船0.2海洋結(jié)構(gòu)物海洋工程船舶72工作船水面船挖泥船打樁船混凝土攪拌船敷管船鋪纜船起重船消防船工作艇破冰船0.2海洋結(jié)構(gòu)物73供應(yīng)船水面船保障船救助船海洋調(diào)查船運(yùn)油船天然氣船供水供油船破冰船運(yùn)輸船0.2海洋結(jié)構(gòu)物74深潛器水下裝備船開溝機(jī)敷纜鋪管機(jī)維修設(shè)備作業(yè)裝備推土機(jī)0.2海洋結(jié)構(gòu)物75淺水海域運(yùn)載工具開溝機(jī)敷纜鋪管機(jī)維修設(shè)備推土機(jī)0.2海洋結(jié)構(gòu)物76EnvironmentalMechanicsofOceanEngineering《海洋工程環(huán)境學(xué)》770.3海洋結(jié)構(gòu)物與海洋環(huán)境因素的相互作用

固定式結(jié)構(gòu)物浮式結(jié)構(gòu)物海洋環(huán)境風(fēng)浪流78風(fēng)浪流水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度加速度阻力阻尼力慣性力附加品質(zhì)荷載運(yùn)動(dòng)傾覆結(jié)構(gòu)破壞79結(jié)構(gòu)物風(fēng)、浪、流搖擺應(yīng)力/疲勞輸入回應(yīng)輸出輸出80風(fēng)定常脈動(dòng)上層建築彎矩振動(dòng)斷裂疲勞81浪週期性水下結(jié)構(gòu)主體彎矩振動(dòng)斷裂疲勞運(yùn)動(dòng)82浮體線性運(yùn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)橫蕩縱蕩垂蕩橫搖縱搖首搖前後週期性直線運(yùn)動(dòng)左右週期性直線運(yùn)動(dòng)上下週期性直線運(yùn)動(dòng)橫向週期性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)縱向週期性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)平面週期性旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)83流定常脈動(dòng)水下浮體彎矩振動(dòng)斷裂疲勞《海洋工程環(huán)境學(xué)》EnvironmentalMechanicsofOceanEngineering1.

海洋環(huán)境因素分析計(jì)算

波浪運(yùn)動(dòng)是指海洋水錶面在外界因素(風(fēng))作用下以及在重力作用下的運(yùn)動(dòng)。

波浪運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的，“永不重現(xiàn)”。但是，並非“雜亂無章”，有其“內(nèi)在規(guī)律”。

表徵隨機(jī)現(xiàn)象的變數(shù)為隨機(jī)變數(shù)，不能以確定性的數(shù)學(xué)語言標(biāo)定，只能以統(tǒng)計(jì)平均或概率的數(shù)學(xué)語言來描述。

本章應(yīng)用隨機(jī)過程和概率論的數(shù)學(xué)方法，討論波浪運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，尋求標(biāo)定波浪運(yùn)動(dòng)的數(shù)字特徵，用以區(qū)別不同類型的隨機(jī)波浪運(yùn)動(dòng)。1.1

波浪運(yùn)動(dòng)的平均特徵

波高H：波峰到相鄰部分的垂直空間距離；

週期

Tz：上過零到相鄰上過零的水準(zhǔn)時(shí)間距離；

波面暫態(tài)升高x(t)：在時(shí)間軸上t

時(shí)刻的波面垂直空間距離。1.

海洋環(huán)境因素分析計(jì)算

採樣：

波高H

和週期

TZ：

i=1,2,···,N;

1.1波浪運(yùn)動(dòng)的平均特徵平均值：表示波動(dòng)的算術(shù)平均水準(zhǔn)。1.1波浪運(yùn)動(dòng)的平均特徵均方根值：

均方根波高和均方根週期：表示波動(dòng)的能量平均水準(zhǔn)。1.1波浪運(yùn)動(dòng)的平均特徵有義值：H*j

為Hi

的有序排列，自最大端向前取總數(shù)的三分之一的波高。表示波動(dòng)的可視平均水準(zhǔn)。1.1波浪運(yùn)動(dòng)的平均特徵《海洋工程環(huán)境學(xué)》EnvironmentalMechanicsofOceanEngineering1.2

波高的概率特徵1)波動(dòng)過程關(guān)於靜止水面基本對(duì)稱，上波峰大致等於下波峰，或波高等於2倍上波峰或下波峰。

波浪運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)特徵1.

海洋環(huán)境因素分析計(jì)算

2)波動(dòng)的週期亦呈隨機(jī)性，但是大體上等於平均週期。這樣，可以認(rèn)為波動(dòng)的能量高度集中於某一個(gè)頻率，所謂窄帶過程，其能量譜為窄帶譜(線譜)。3)在波動(dòng)的一個(gè)週期中只有一峰一穀。4)暫態(tài)值關(guān)於時(shí)間的平均值近似為零—靜止水面(自由表面)。1.2波高的概率特徵5)隨機(jī)變數(shù)總體關(guān)於時(shí)間的平均值大體上同時(shí)間無關(guān)，亦同子樣無關(guān)。以波高為例：1.2波高的概率特徵

具有上述物理與數(shù)學(xué)特徵的隨機(jī)過程，在數(shù)學(xué)上稱作為：

平穩(wěn)的各態(tài)歷經(jīng)的隨機(jī)過程。1.2波高的概率特徵

波浪運(yùn)動(dòng)的概率密度函數(shù)

平穩(wěn)的各態(tài)歷經(jīng)的隨機(jī)過程的概率密度函數(shù)為瑞利函數(shù):1.2波高的概率特徵瑞利概率密度函數(shù)1.2波高的概率特徵

平穩(wěn)的各態(tài)歷經(jīng)的隨機(jī)過程的累計(jì)概率分佈函數(shù)為:1.2波高的概率特徵累計(jì)概率分佈函數(shù)1.2波高的概率特徵3.

特徵波高

利用平穩(wěn)的各態(tài)歷經(jīng)的隨機(jī)過程的概率密度函數(shù)可以確定各種特徵波高。1)零波高波高為零的事件的概率密度或累計(jì)概率等於零。海面永不平靜。1.2波高的概率特徵2)擁有最大概率密度的波高1.2波高的概率特徵3)平均波高1.2波高的概率特徵4)均方根波高1.2波高的概率特徵5)有義波高1.2波高的概率特徵6)最大波高1.2波高的概率特徵1.2波高的概率特徵《海洋工程環(huán)境學(xué)》EnvironmentalMechanicsofOceanEngineering1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分佈特徵1.能量譜密度概念波動(dòng)過程為外界輸入能量所致，因此，波動(dòng)過程本身是能量演變的過程。隨機(jī)過程可以為具有不同單頻的規(guī)則過程以隨機(jī)相位疊加構(gòu)成：為第n個(gè)具有常頻的規(guī)則過程的幅值；為常頻，為第n個(gè)過程的頻率；為第n個(gè)過程的相位(隨機(jī)變數(shù),正態(tài)分佈)。1.

海洋環(huán)境因素分析計(jì)算

隨機(jī)過程t時(shí)刻，頻率在區(qū)間，波動(dòng)的能量可以表示為

50該能量在整個(gè)測(cè)量週期的平均值為該能量關(guān)於頻率區(qū)間的平均值被稱之為能量譜密度函數(shù)：1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分佈特徵50譜函數(shù)的物理概念是表示隨機(jī)過程的波動(dòng)能量在頻域的分佈。1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分佈特徵非平穩(wěn)過程(寬頻)平穩(wěn)過程

(窄帶)單頻過程(線譜)1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分佈特徵50譜函數(shù)的特點(diǎn)：譜函數(shù)為非負(fù)函數(shù)，恒等於或大於零，於第一象限。譜函數(shù)存在最大值，對(duì)應(yīng)有峰頻。在該頻率下波動(dòng)過程具有最大能量。頻率為零和頻率為無窮大時(shí)，譜值均趨於零，說明海面永不平靜。1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分佈特徵50512.自相關(guān)函數(shù)定義自相關(guān)函數(shù)是用以描述隨機(jī)過程此時(shí)刻與彼時(shí)刻的關(guān)係的函數(shù)。1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分佈特徵50自相關(guān)函數(shù)的特點(diǎn)：

自相關(guān)函數(shù)可正可負(fù)。

自相關(guān)函數(shù)在t=0處有最大值：

自相關(guān)函數(shù)為偶函數(shù)：

1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分佈特徵3.Wiener-Khintchine定理定理1：能量譜密度函數(shù)等於自相關(guān)函數(shù)的富裏埃變換。定理2：自相關(guān)函數(shù)等於能量譜密度函數(shù)的富裏埃逆變換。

1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分佈特徵50已知波浪觀測(cè)子樣，計(jì)算得到相應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)，則根據(jù)定理1可以分析計(jì)算獲得相應(yīng)的能量譜密度函數(shù)。這一演算法即為廣泛應(yīng)用的快速富裏埃方法(FFT)。當(dāng)輸入數(shù)位化的波浪觀測(cè)子樣，所輸出的則是其波動(dòng)能量在頻域的分佈結(jié)果—能量譜密度函數(shù)。海洋調(diào)查船，波浪觀測(cè)站，衛(wèi)星遙感遙測(cè)給定能量譜密度函數(shù)，根據(jù)定理2可以計(jì)算得到相應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)，進(jìn)而分析計(jì)算得到波浪運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)過程。水池中造波1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分佈特徵4.

用譜函數(shù)表達(dá)的統(tǒng)計(jì)特徵均方根波高：寫出自相關(guān)函數(shù)的離散運(yùn)算式兩式比較可見1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分佈特徵

於是，可以得到根據(jù)均方根波高的定義，有則可以得到均方根波高同能量譜密度函數(shù)的關(guān)係：1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分佈特徵其中為能量譜密度函數(shù)的譜矩。1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分佈特徵5051最大波高：具有1/N概率的最大波高的平均值，定義為最大波高。最大波高同波高的定義，在觀測(cè)週期中波的個(gè)數(shù)有關(guān)。有對(duì)於波浪運(yùn)動(dòng)，通常認(rèn)為是窄帶過程，有1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分佈特徵最大波高同譜矩和均方根波高的關(guān)係：1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分佈特徵平均過零週期：平均過零週期由隨機(jī)過程通過零水準(zhǔn)次數(shù)的期望值確定。即單位時(shí)間過水準(zhǔn)的平均次數(shù)當(dāng)有1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分佈特徵相應(yīng)的平均過零週期為：1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分佈特徵50其中分別為能量譜密度函數(shù)的零，二和四階矩。順便給出譜寬係數(shù)：1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分佈特徵505.線性變換系統(tǒng)X(t)代表輸入，如波浪；Y(t)代表輸出，如船舶運(yùn)動(dòng)，海洋結(jié)構(gòu)物遭遇波浪荷載；H()代表船或結(jié)構(gòu)物的頻率回應(yīng)函數(shù)。1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分佈特徵對(duì)於線性變換系統(tǒng)，有以下結(jié)論：

SX

為輸入能量譜密度函數(shù)，如海浪譜；H為船或海洋結(jié)構(gòu)物的頻率回應(yīng)函數(shù)，如波浪荷載；SY為船或海洋結(jié)構(gòu)物的輸出能量譜密度函數(shù)，如波浪荷載。

這是關(guān)於輸入和輸出的一個(gè)線性變換系統(tǒng)。1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分佈特徵線性變換系統(tǒng)的用途：已知海浪譜SX

和船或結(jié)構(gòu)物某性能的頻率回應(yīng)函數(shù)H，可以確定船或結(jié)構(gòu)物某性能的能量譜密度函數(shù)SY.已知船或結(jié)構(gòu)物某性能的能量譜密度函數(shù)SY和海浪譜SX

，可以確定船或結(jié)構(gòu)物某性能的頻率回應(yīng)函數(shù)H.已知船或結(jié)構(gòu)物某性能的能量譜密度函數(shù)SY及其某性能的頻率回應(yīng)函數(shù)H，可以確定海浪能量譜密度函數(shù)SX.1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分佈特徵6.實(shí)用的海浪能量譜密度函數(shù)海浪的能量譜密度函數(shù)的譜展式形式：其中

A和B有不同的形式與相關(guān)變數(shù)。這些變數(shù)包括風(fēng)區(qū)、風(fēng)速與風(fēng)持續(xù)時(shí)間，有義波高，水域遮蔽形式、水深以及波浪頻率分佈參數(shù)等。1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分佈特徵Pierson-Moscowitz(1964)譜(P-M譜)ITTC(1987)雙參數(shù)譜(ISSC譜)JONSWAP(1973)譜Bretschneider(1959)譜Darbyshir(1952)譜1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分佈特徵7.實(shí)用的海浪方向能量譜密度函數(shù)

方向譜的一般形式：G為方向函數(shù)，有1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分佈特徵DenisandPierson譜(1953)Longuet-Higgins,CartwrightandSmith譜(1961)Cote譜(1962)Conner譜(1980)ITTCandISSC譜1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分佈特徵《海洋工程環(huán)境學(xué)》EnvironmentalMechanicsofOceanEngineering1.4海浪統(tǒng)計(jì)特徵的長期分佈律

海洋結(jié)構(gòu)物同運(yùn)輸船舶相比，就遭遇的海洋環(huán)境而論，海洋結(jié)構(gòu)物是長期工作在預(yù)設(shè)的海洋位置上，幾乎無法規(guī)避所有的惡劣海況。

海洋結(jié)構(gòu)物所關(guān)注的是其一生中將遭遇的最惡劣的海況。鑒於海洋環(huán)境，諸如風(fēng)、浪、流的出現(xiàn)及其強(qiáng)度是隨機(jī)的，所謂最惡劣的，或所謂極端的事件，從數(shù)學(xué)上而論是一些具有小概率的事件。1.

海洋環(huán)境因素分析計(jì)算

目前，有關(guān)海洋結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)建造規(guī)範(fàn)明確規(guī)定了這一極端事件的概率，即百年一遇或五十年一遇。如，百年一遇的波浪(波高與相應(yīng)的週期)，即該波浪的重現(xiàn)週期為100年。通常，這一事件的出現(xiàn)概率僅為10-9，十億分之一，在數(shù)學(xué)上或許可稱為“不可能發(fā)生事件”。然而，計(jì)算表明，對(duì)於一個(gè)設(shè)計(jì)壽命為20年的結(jié)構(gòu)物，遭遇百年一遇的極端海況的概率竟達(dá)18%.

想必沒有人再會(huì)懷疑注重該海況的必要性了。

於是，討論波浪運(yùn)動(dòng)短期統(tǒng)計(jì)特徵的長期分佈律，以期確定小概率事件的參數(shù)，對(duì)於船舶與海洋結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)是十分必要的。1.4海浪統(tǒng)計(jì)特徵的長期分佈律1.有義波高的概率密度函數(shù)

海上定點(diǎn)波浪觀測(cè)短期子樣的統(tǒng)計(jì)特徵，有義波高的長期累計(jì)子樣為：

大量觀測(cè)分析表明，子樣代表的隨機(jī)過程仍然是一個(gè)平穩(wěn)的隨機(jī)過程，可以尋求適當(dāng)?shù)母怕拭芏群瘮?shù)來擬合觀測(cè)結(jié)果。1.4海浪統(tǒng)計(jì)特徵的長期分佈律

為三參數(shù)的Weibull函數(shù)。其中H0

為最小閾限水準(zhǔn)，HC為尺度因數(shù)，

1.4海浪統(tǒng)計(jì)特徵的長期分佈律相應(yīng)的累計(jì)概率函數(shù)為：

採取什麼樣的概率函數(shù)，只取決於對(duì)於子樣的擬合精度和置信度。因此，Weibull函數(shù)並非是該問題的唯一解，不排斥用其他概率函數(shù)來描述波浪短期分佈統(tǒng)計(jì)特徵的長期分佈律。1.4海浪統(tǒng)計(jì)特徵的長期分佈律2.Weibull函數(shù)三參數(shù)的確定

對(duì)Weibull累計(jì)概率函數(shù)線性化，移項(xiàng)，取對(duì)數(shù)：

移動(dòng)負(fù)號(hào)，再取對(duì)數(shù)：1.4海浪統(tǒng)計(jì)特徵的長期分佈律做變數(shù)置換：則有：

為截距B和斜率的直線方程。1.4海浪統(tǒng)計(jì)特徵的長期分佈律

給定子樣：考慮到直線方程只能解兩個(gè)未知數(shù)，對(duì)第三個(gè)未知數(shù)必須假定。通常，取H0=0(第一次近似)。

可以用作圖法和最小二乘法計(jì)算得到另外兩個(gè)參數(shù)：和則：1.4海浪統(tǒng)計(jì)特徵的長期分佈律

同時(shí)，可以得到本次近似計(jì)算的擬合誤差平方和：

由此得到其最小值迭代計(jì)算：在一系列

H0

的假定下，重複上述計(jì)算，得到相應(yīng)的擬合誤差平方和集(子樣)和對(duì)應(yīng)的H0，再重複一次計(jì)算，

最後，得到關(guān)於三參數(shù)的最優(yōu)解：1.4海浪統(tǒng)計(jì)特徵的長期分佈律3.相應(yīng)於有義波高的平均過零週期

根據(jù)有義波高對(duì)應(yīng)的平均過零週期的子樣，一個(gè)兩參數(shù)的Weibull函數(shù)可以用來擬合該週期的長期分佈：

其中1.4海浪統(tǒng)計(jì)特徵的長期分佈律4.應(yīng)用實(shí)例

以下給出我國沿海海域的波浪參數(shù)長期分佈的計(jì)算結(jié)果。子樣來自北起鴨綠江出海口，南至湛江出?？冢?jì)36個(gè)觀測(cè)站10年間(1969-1979)的波浪資料。其中

有義波高長期分佈按Weibull函數(shù)；

平均過零週期長期分佈按冪函數(shù)。結(jié)果發(fā)表在：WangY.InvestigationofdesignwaveparametersforChinesecoastalareas.ChinaOceanEngineering,2(1988),4:71

78.1989年為美國牛津出版社收錄。1.4海浪統(tǒng)計(jì)特徵的長期分佈律1.4海浪統(tǒng)計(jì)特徵的長期分佈律Fig.1.4.1Thelong-termdistributionofthemaximumwaveheightandtheaverageperiod(Xisha,SouthChinaSea)1.4海浪統(tǒng)計(jì)特徵的長期分佈律Fig.1.4.2Thelong-termdistributionofthemaximumwaveheightandtheaverageperiod(Dachen,EastChinaSea)1.4海浪統(tǒng)計(jì)特徵的長期分佈律Fig.1.4.3Thelong-termdistributionofthemaximumwaveheightandtheaverageperiod(Chenshantou,HuanghaiSea)1.4海浪統(tǒng)計(jì)特徵的長期分佈律Fig.1.4.4Thelong-termdistributionofthemaximumwaveheightandtheaverageperiod(Beihuangcheng,BohaiBay)1.4海浪統(tǒng)計(jì)特徵的長期分佈律Conner(1980)providesmessagethattheparametersofWeibullprobabilitydensityfunctionforthesignificantwaveheightfortheNorthAtlanticOceanare

andaccordingtothedataintheperiodof1961-1975providedbyoceanographicresearchshipnamedM..1.4海浪統(tǒng)計(jì)特徵的長期分佈律《海洋工程環(huán)境學(xué)》EnvironmentalMechanicsofOceanEngineering1.5設(shè)計(jì)波

海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)壽命記作TL(年)，一般為10，20，30年不等。海洋結(jié)構(gòu)物一生遭遇的極端海況的重現(xiàn)週期記作TC

(年)，規(guī)範(fàn)規(guī)定為100年。

在海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)中將這個(gè)百年一遇的波稱作設(shè)計(jì)波。問題是：如何根據(jù)海洋結(jié)構(gòu)物工作海域的波浪長期分佈資料確定設(shè)計(jì)波的具體參數(shù)？

波浪長期分佈的依據(jù)是：1.

海洋環(huán)境因素分析計(jì)算

1.設(shè)計(jì)波參數(shù)的確定

TC年中有多少個(gè)波出現(xiàn)？若波浪平均過零週期為TZ，TC

年中有N

個(gè)波出現(xiàn)：

其中具有最大波高HM

的波的出現(xiàn)概率為為10-9

的量級(jí)。1.5設(shè)計(jì)波

假定這個(gè)波為一個(gè)極端的有義波，以HS

代替HM

，那麼上述的概率可以用Weibull函數(shù)表達(dá)：

按定義，式中的

HS

就是待定的設(shè)計(jì)波的波高HD

，解得1.5設(shè)計(jì)波

中國沿海海域的設(shè)計(jì)波計(jì)算結(jié)果為下表所示：1.5設(shè)計(jì)波

根據(jù)隨船波浪資料，中國沿海海域的設(shè)計(jì)波計(jì)算結(jié)果給出下式：

歐洲北海的計(jì)算式為：1.5設(shè)計(jì)波

根據(jù)歐洲北海的計(jì)算式：設(shè)計(jì)波波高為：1.5設(shè)計(jì)波2.設(shè)計(jì)波遭遇概率的確定

從設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)，海洋結(jié)構(gòu)物遭遇設(shè)計(jì)波的概率是設(shè)計(jì)者所感興趣的。在結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)壽命期間可能遭遇的波的個(gè)數(shù)為：現(xiàn)假定M個(gè)波是相互獨(dú)立的，的概率為：1.5設(shè)計(jì)波代入平均概率：寫成指數(shù)形式，有：1.5設(shè)計(jì)波根據(jù)泰勒展開有以下近似：於是，可以得到遭遇波不超過設(shè)計(jì)波的概率：1.5設(shè)計(jì)波因此，海洋結(jié)構(gòu)物在設(shè)計(jì)壽命期間遭遇設(shè)計(jì)波的概率，為上式的超越概率，即如：對(duì)於工作20年的海洋結(jié)構(gòu)物在其工作海域遭遇百年一遇的設(shè)計(jì)波的概率為1.5設(shè)計(jì)波1.5設(shè)計(jì)波1.

海洋環(huán)境因素分析計(jì)算

短期統(tǒng)計(jì)特性1.

海洋環(huán)境因素分析計(jì)算

長期統(tǒng)計(jì)特性《海洋工程環(huán)境學(xué)》EnvironmentalMechanicsofOceanEngineering2.波浪作用下流場(chǎng)計(jì)算

波浪運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)過程。設(shè)計(jì)波是其中的一個(gè)單波，具有固定的波高和週期(或波長)。

設(shè)計(jì)中關(guān)心的是海洋結(jié)構(gòu)物在波浪中的運(yùn)動(dòng)和荷載。為此，必須關(guān)注波浪作用下的流場(chǎng)，即波浪作用下水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

波浪流體力學(xué)理論是討論在波浪作用下流場(chǎng)中水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，即其速度(加速度)分量和壓力。

進(jìn)一步，可以計(jì)算得到水質(zhì)點(diǎn)對(duì)於結(jié)構(gòu)物的作用，包括力(荷載)，以及因此導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)。2.1流場(chǎng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

1.物理模型2.波浪作用下流場(chǎng)計(jì)算

2.1流場(chǎng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

坐標(biāo)系：二維平面進(jìn)行波

ox

靜止水面，原點(diǎn)在波峰，沿傳播方向

oz垂直向上

波型：余弦波波高H，波長L(週期T)，暫態(tài)升高

1.物理模型

水域：水深d

水：無旋，無粘，不可壓縮，密度底部平行ox軸(靜止水面)，剛性，不可穿透

流場(chǎng)：重力場(chǎng)，重力加速度g

水質(zhì)點(diǎn)速度分量：u,w;壓力p2.1流場(chǎng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

1.物理模型2.數(shù)學(xué)模型

空間與時(shí)間點(diǎn)的物理量：

全導(dǎo)數(shù)：2.1流場(chǎng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

3.控制方程

連續(xù)方程：2.1流場(chǎng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

力平衡方程：2.1流場(chǎng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

3.控制方程

無旋條件：2.1流場(chǎng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

3.控制方程2.1流場(chǎng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

聯(lián)立求解控制方程組(3個(gè)方程)，可以得到3個(gè)待定變數(shù)(u,w,p)的通解。3.控制方程2.1流場(chǎng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

為確定特解，尚須給定初始條件和邊界條件。對(duì)於定常問題，只須給定邊界條件。3.控制方程4.邊界條件

底部條件：2.1流場(chǎng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

4.邊界條件

自由表面動(dòng)力學(xué)邊界條件：2.1流場(chǎng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

自由表面靜力學(xué)邊界條件：5.計(jì)算模型推導(dǎo)

速度項(xiàng)：水質(zhì)點(diǎn)合速度

流體無旋有勢(shì)2.1流場(chǎng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

連續(xù)方程：Laplace方程

力平衡方程：對(duì)兩個(gè)方程分別沿x和z向積分相加，得到Bernoulli方程或兩個(gè)控制方程，解兩個(gè)待定變數(shù)：2.1流場(chǎng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

5.計(jì)算模型推導(dǎo)

Laplace方程為線性的偏微分方程。

Bernoulli方程為非線性偏微分方程，V2為速度勢(shì)的平方項(xiàng)，呈非線性。

自由表面動(dòng)力學(xué)邊界條件中

為速度勢(shì)的平方項(xiàng)，呈非線性。2.1流場(chǎng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

5.計(jì)算模型推導(dǎo)

為求解波浪作用下的流場(chǎng)的速度勢(shì)和壓力項(xiàng)，須聯(lián)立求解Laplace方程和Bernoulli方程，並須同時(shí)滿足底部邊界條件和自由表面靜力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)邊界條件。

由於Bernoulli方程和自由表面動(dòng)力學(xué)邊界條件方程為非線性的，為簡化計(jì)算有兩種途經(jīng)可以應(yīng)用：

將上述兩個(gè)方程線性化，得到相應(yīng)的解析解；

對(duì)非線性項(xiàng)攝動(dòng)展開，取有限階數(shù)，得到相應(yīng)的數(shù)值解。2.1流場(chǎng)計(jì)算數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)

《海洋工程環(huán)境學(xué)》EnvironmentalMechanicsofOceanEngineering2.2線性波理論線性波理論來自對(duì)於波浪作用下流場(chǎng)計(jì)算控制方程的簡化,在控制方程和自由表面運(yùn)動(dòng)學(xué)邊界條件中忽略：這一假定在什麼樣條件下成立？顯然，唯有對(duì)微幅波才有意義。通常，在H/L<<0.1

和

d/L>1/20

條件下，可以接受線性化的近似。

線性波理論稱之為Airy波理論，微幅波理論，小波幅理論。2.波浪作用下流場(chǎng)計(jì)算

1.線性化控制方程和邊界條件

連續(xù)方程(線性)

力平衡方程(線性化)(1)(2)2.2線性波理論

底部邊界條件(線性)

自由表面靜力學(xué)邊界條件(線性)(3)(4)2.2線性波理論

自由表面動(dòng)力學(xué)邊界條件(線性化)

(5)於是，求解Laplace方程(1)，並同時(shí)滿足力平衡方程(2)，和邊界條件(3)，(4)與(5)，可以得到波浪作用下流場(chǎng)速度勢(shì)函數(shù)的解。2.2線性波理論2.解Laplace方程

分離速度勢(shì)函數(shù)為沿x與z兩個(gè)方向的函數(shù)積：

於是，Laplace方程也被分離成兩式：2.2線性波理論

兩式的通解形式為：

上述各式中的C

為波速。兩個(gè)二階偏微分方程經(jīng)積分得到的解中含4個(gè)積分常數(shù)A1，A2，A3，和

A4.它們將由流場(chǎng)中的力平衡條件和所有的邊界條件來確定。2.2線性波理論3.確定積分常數(shù)與速度勢(shì)函數(shù)設(shè)定波為余弦波，即t=0

和x=0時(shí)，為波峰位置。由力平衡方程(2),在自由表面有p=pat-pat=0,所以 由於波為余弦波，速度勢(shì)函數(shù)只能是正弦函數(shù)，那麼必須有：2.2線性波理論根據(jù)底部邊界條件(3)，當(dāng)z=-d：那麼，唯有才可以實(shí)現(xiàn)2.2線性波理論於是，Laplace方程通解的形式可進(jìn)一步簡化為：2.2線性波理論速度勢(shì)函數(shù)的另一通解：為波幅，由自由表面邊界條件得出：2.2線性波理論2.2線性波理論波幅為：

於是，可以得到波浪作用下流場(chǎng)的速度勢(shì)函數(shù)：其中：k為波數(shù)。2.2線性波理論2.3流場(chǎng)要素分析

1)波數(shù)：波傳播一個(gè)波長，水質(zhì)點(diǎn)震盪一周，2)波速：波峰傳播的速度，其中：為波數(shù)。於是2.波浪作用下流場(chǎng)計(jì)算

3)色散關(guān)係：根據(jù)自由表面動(dòng)力學(xué)邊界條件

和自由表面的Bernoulli方程可以得到為自由表面邊界條件(靜力學(xué)與運(yùn)動(dòng)學(xué)邊界條件)。2.3流場(chǎng)要素分析代入速度勢(shì)函數(shù)，整理後得到

表達(dá)了不同水深處水質(zhì)點(diǎn)的震盪圓頻率。相應(yīng)的波速可以記為

表達(dá)了不同水深處波峰的傳播速度。2.3流場(chǎng)要素分析2.3流場(chǎng)要素分析4)水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)波浪作用下的流場(chǎng)速度勢(shì)函數(shù)

其中2.3流場(chǎng)要素分析

水準(zhǔn)速度分量：

垂直速度分量：2.3流場(chǎng)要素分析

水準(zhǔn)加速度分量：

垂直加速度分量：2.3流場(chǎng)要素分析

水準(zhǔn)位移分量：

垂直位移度分量：2.3流場(chǎng)要素分析5)壓力分佈：在小波幅假定下，壓力中動(dòng)壓力成分不大，所以壓力場(chǎng)隨水深而改變

波浪作用下每個(gè)深度上是一個(gè)等壓面。2.3流場(chǎng)要素分析6)水深影響

對(duì)於深水：假定從速度勢(shì)函數(shù)中的水深項(xiàng)可以看出，由於即所以和有2.3流場(chǎng)要素分析

深水的速度勢(shì)函數(shù)為：相應(yīng)的色散關(guān)係為：注意到當(dāng)，有

可以看出波浪運(yùn)動(dòng)對(duì)於水的擾動(dòng)僅限於厚度為半個(gè)波長的表明一層

波浪運(yùn)動(dòng)的表面性。2.3流場(chǎng)要素分析

對(duì)於淺水：假定從速度勢(shì)函數(shù)中的水深項(xiàng)可以看出，由於即所以，有，2.3流場(chǎng)要素分析

淺水的速度勢(shì)函數(shù)為：相應(yīng)的色散關(guān)係為：2.3流場(chǎng)要素分析7)波面形狀

根據(jù)Bernoulli方程，在自由表面有：可以看出波面形狀為一余弦波，同原設(shè)定形狀一致。2.3流場(chǎng)要素分析8)水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡

根據(jù)軌跡方程：為圓方程。水質(zhì)點(diǎn)以其平衡位置(x0,z0)作圓周運(yùn)動(dòng)。圓的半徑隨水深的增加而衰減，當(dāng)z=-L/2時(shí)，幾乎為零。

對(duì)於深水：2.3流場(chǎng)要素分析

根據(jù)軌跡方程：為橢圓方程。水質(zhì)點(diǎn)以其平衡位置(x0,z0)作橢圓運(yùn)動(dòng)。橢圓的短軸隨水深的增加而衰減，當(dāng)z=-d時(shí)為零。但長軸不為零。這符合底部不可穿透的假定。

對(duì)於淺水：2.3流場(chǎng)要素分析不論是深水還是淺水，水質(zhì)點(diǎn)在波浪作用下僅在其平衡位置上作震盪(以圓或橢圓為軌跡)，而不改變其平衡位置，也沒有宏觀移動(dòng)

波浪運(yùn)動(dòng)無品質(zhì)傳遞。例：測(cè)船航速的應(yīng)用2.3流場(chǎng)要素分析水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡:對(duì)於深水2.3流場(chǎng)要素分析水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡:對(duì)於有限水深2.3流場(chǎng)要素分析水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡:對(duì)於淺水2.3流場(chǎng)要素分析《海洋工程環(huán)境學(xué)》EnvironmentalMechanicsofOceanEngineering12.5非線性波理論

線性波理論給出的是非線性波的一次近似解，當(dāng)波陡H/L

足夠大時(shí)，必須考慮高階解的影響。鑒於非線性解的複雜性，工程上通常應(yīng)用數(shù)值方法求解。工程設(shè)計(jì)中，對(duì)於極端海況具有相當(dāng)大的波陡，如，在北海，百年一遇的波，波高為32m，相應(yīng)的波長在400m左右，H/L達(dá)到0.08，非線性影響是十分嚴(yán)重的。所以，海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)中通常須按5

階或

8

階波計(jì)算。2.波浪作用下流場(chǎng)計(jì)算

1目前，廣泛應(yīng)用的是基於攝動(dòng)解的Stokes理論。原始的Stokes波為5階的。電腦和數(shù)值方法的發(fā)展，導(dǎo)致非線性波的速度勢(shì)函數(shù)解不會(huì)受到階數(shù)的限制，僅取決於工程計(jì)算精度的需要，如，Schwartz演算法。2.5非線性波理論

11)Stokes理論的基本原理

Stokes把非線性波作用下流場(chǎng)的速度勢(shì)函數(shù)及其相關(guān)變數(shù)表達(dá)為攝動(dòng)級(jí)數(shù)，即

代入Laplace方程，並在Bernoulli方程與自由表面動(dòng)力學(xué)邊界條件中，計(jì)入非線性項(xiàng)的影響，即

然後，推導(dǎo)出速度勢(shì)函數(shù)及其回應(yīng)變數(shù)的攝動(dòng)解的各階係數(shù)。這些係數(shù)被製成同相對(duì)波高H/L，相對(duì)水深d/L

的表，供實(shí)際應(yīng)用。和2.5非線性波理論

1

速度勢(shì)函數(shù)：

波面形狀：

波速：2.5非線性波理論

1

上式中諸多係數(shù)，

均為H/L

和kd

的函數(shù)，有專門的對(duì)數(shù)表可以查得。其中2.5非線性波理論

12)Schwartz演算法的基本原理

Schwartz將物理平面上的一個(gè)波長的自由表面與海底和兩“側(cè)壁”所控制的水域，通過保角變換在映射平面上得到一個(gè)同心圓環(huán)。2.5非線性波理論

1

變換函數(shù)為

映射平面中的複速度勢(shì)函數(shù)為已知的，即

映射平面中的複速度為2.5非線性波理論

13.非線性波的簡化演算法

給定條件

確定計(jì)算水深

計(jì)算係數(shù)陣2.5非線性波理論

12.5非線性波理論

1

計(jì)算係數(shù)2.5非線性波理論

1

確定攝動(dòng)小量

計(jì)算速度勢(shì)函數(shù)各階係數(shù)和波速2.5非線性波理論

1

確定速度勢(shì)函數(shù)2.5非線性波理論

14.流場(chǎng)參數(shù)變化

波型變化2.5非線性波理論

1

波型變化對(duì)於靜止水面而言，上波峰增高，下波谷也增高；峰穀關(guān)於時(shí)間軸對(duì)稱性改變，波谷在時(shí)間軸上的跨距增大；就整個(gè)波型來看，波谷趨於平坦，波峰趨於陡峭。

坦穀波。2.5非線性波理論

1

流場(chǎng)水質(zhì)點(diǎn)速度變化S-1:Stokes一階近似；S-4-1:Stokes四階近似，波速一階近似；S-4-2:Stokes四階近似，波速二階近似。2.5非線性波理論

1

流場(chǎng)水質(zhì)點(diǎn)速度變化d/gT2:0.0365>0.0135d/H:3.35>3.27水更淺，波高增大。2.5非線性波理論

1

流場(chǎng)水質(zhì)點(diǎn)速度變化d/gT2:0.0135>0.0071d/H:3.27>3.26水更淺，波高增大。2.5非線性波理論

1

流場(chǎng)水質(zhì)點(diǎn)速度變化d/gT2:0.0071>0.0055d/H:3.26>3.08水更淺，波高增大。2.5非線性波理論

234海洋工程環(huán)境學(xué)DYNAMICSOFOCEANENVIRONMENT2353.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力根據(jù)結(jié)構(gòu)物的特徵尺度，可以分為小尺度構(gòu)件和大尺度結(jié)構(gòu)兩種不同類型。其劃分標(biāo)準(zhǔn)為：為小尺度構(gòu)件

入射問題；為大尺度構(gòu)件

輻射問題。例：自升式平臺(tái)：D=O(1m),L=O(100m),D/L=0.1

半潛式平臺(tái)：D=O(100m),L=O(300m),D/L=0.3對(duì)於入射問題，通?？梢杂枚S方法處理：Morison方程法，對(duì)於輻射問題，通常可以用三維方法處理：源匯分佈方程法。2363.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3.1均勻流誘導(dǎo)荷載物理模型：圓柱(樁柱)：直徑D，一端垂直剛性固定在海底，另一端露出水面；水域：剛性海底平行靜止表面，水深d,均勻流速Vx.

坐標(biāo)系：xoz:ox

在靜止水面，沿流方向；

oz

垂直靜止水面向上。求解問題：水流作用在單位長度圓柱上的水準(zhǔn)力和橫向力？2373.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力水準(zhǔn)力：式中：D為樁柱直徑，Vx為流速，Cd為相當(dāng)於迎流面積的阻力係數(shù)，為水密度。阻力係數(shù)：2383.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力2393.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力橫向力：式中：卡門渦街釋放頻率S

為Strouhal數(shù)。由下圖可見，通常。在一個(gè)卡門渦街釋放週期內(nèi)水流流過5倍的圓柱直徑的距離。2403.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力2413.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力242海洋工程環(huán)境學(xué)DYNAMICSOFOCEANENVIRONMENT2433作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3.2線性波誘導(dǎo)荷載物理模型：圓柱(樁柱)：直徑D，一端垂直剛性固定在海底，另一端露出水面；水域：剛性海底平行靜止水面，水深d,自由表面為線性波，H/L<<0.1；坐標(biāo)系：xoz:ox

在靜止水面，沿流方向；

oz

垂直靜止水面向上，原點(diǎn)於波峰下靜止水面(余弦波)。求解問題：線性波流場(chǎng)作用在單位長度圓柱上的水準(zhǔn)力?2443作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力

線性波誘導(dǎo)流場(chǎng)參數(shù)2453作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程式中：

波浪誘導(dǎo)水質(zhì)點(diǎn)水準(zhǔn)速度分量，波浪誘導(dǎo)水質(zhì)點(diǎn)水準(zhǔn)加速度分量。為單位長圓柱迎流面積。為單位尺度圓柱排水體積。2463作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力其中：第一項(xiàng)為單位長度圓柱上的阻力(Drag)，第二項(xiàng)為單位長度圓柱上的慣性力。為相對(duì)於迎流面積的阻力係數(shù)。為相對(duì)於迎流面積的品質(zhì)係數(shù)。2473作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力K為

Keulegan-Carpenter數(shù)：為水質(zhì)點(diǎn)按水準(zhǔn)速度幅值在一個(gè)震盪週期所移動(dòng)的距離與圓柱直徑之比的倍。2483作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力2493作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力2503作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力2513作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力2523作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力2533作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力2543作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3.3線性波誘導(dǎo)橫向荷載式中為相位角。升力係數(shù)為雷諾數(shù),相對(duì)粗糙度和Keulegan-Carpenter數(shù)的函數(shù)。.Sarpkaya對(duì)於相關(guān)的水動(dòng)力係數(shù)提供了試驗(yàn)結(jié)果，可供設(shè)計(jì)中使用。2553作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力2563作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力2573作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力2583作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力2593作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Sarpkaya建議：當(dāng)取另外，當(dāng)k/D=310-3

時(shí)，Cl

同Re

無關(guān)，可以用光滑圓柱的結(jié)果。260海洋工程環(huán)境學(xué)DYNAMICSOFOCEANENVIRONMENT2613作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3.2線性波誘導(dǎo)荷載物理模型：圓柱(樁柱)：直徑D，一端垂直剛性固定在海底，另一端露出水面；水域：剛性海底平行靜止水面，水深d,自由表面為線性波，H/L<<0.1；坐標(biāo)系：xoz:ox

在靜止水面，沿流方向；

oz

垂直靜止水面向上，原點(diǎn)於波峰下靜止水面(余弦波)。求解問題：線性波流場(chǎng)作用在單位長度圓柱上的水準(zhǔn)力?2623作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力

線性波誘導(dǎo)流場(chǎng)參數(shù)2633作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程式中：

波浪誘導(dǎo)水質(zhì)點(diǎn)水準(zhǔn)速度分量，波浪誘導(dǎo)水質(zhì)點(diǎn)水準(zhǔn)加速度分量。為單位長圓柱迎流面積。為單位尺度圓柱排水體積。2643作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力其中：第一項(xiàng)為單位長度圓柱上的阻力(Drag)，第二項(xiàng)為單位長度圓柱上的慣性力。為相對(duì)於迎流面積的阻力係數(shù)。為相對(duì)於迎流面積的品質(zhì)係數(shù)。2653作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力K為

Keulegan-Carpenter數(shù)：為水質(zhì)點(diǎn)按水準(zhǔn)速度幅值在一個(gè)震盪週期所移動(dòng)的距離與圓柱直徑之比的倍。2663作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力震盪流慣性力為主要成分準(zhǔn)均勻流阻力為主要成分中間流慣性力與阻力為成分相當(dāng)2673作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力2683作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力2693作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力2703作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力2713作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力2723作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3.3線性波誘導(dǎo)橫向荷載式中為相位角。升力係數(shù)為雷諾數(shù),相對(duì)粗糙度和Keulegan-Carpenter數(shù)的函數(shù)。.Sarpkaya對(duì)於相關(guān)的水動(dòng)力係數(shù)提供了試驗(yàn)結(jié)果，可供設(shè)計(jì)中使用。2733作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力2743作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力2753作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力2763作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力2773作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Sarpkaya建議：當(dāng)取另外，當(dāng)k/D=310-3

時(shí)，Cl

同Re

無關(guān)，可以用光滑圓柱的結(jié)果。2783.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3.4計(jì)入構(gòu)件運(yùn)動(dòng)效應(yīng)的波浪荷載2793.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程中的阻力項(xiàng)其中速度平方項(xiàng)可近似為則有2803.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程中的阻力項(xiàng)阻力項(xiàng)阻尼項(xiàng)其中Ca阻尼係數(shù)。構(gòu)件呈撓性，適當(dāng)?shù)奈灰瓶梢葬尫乓恍┖奢d的能量，以減小波浪荷載。2813.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程中的慣性力項(xiàng)單位長度圓柱上水作用的慣性力：單位長度圓柱運(yùn)動(dòng)引起的慣性力：單位長度圓柱運(yùn)動(dòng)水作用的慣性力：慣性力之和：2823.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程中的慣性力項(xiàng)慣性力之和：慣性力項(xiàng)附加水質(zhì)量慣性力項(xiàng)其中：2833.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程中的慣性力項(xiàng)慣性力之和：慣性力項(xiàng)附加水質(zhì)量慣性力象構(gòu)件運(yùn)動(dòng)帶有附加水，這部分水的慣性力有可能導(dǎo)致荷載增加。2843.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力水準(zhǔn)力=阻力項(xiàng)+阻尼項(xiàng)+慣性力項(xiàng)+附加品質(zhì)項(xiàng)水動(dòng)力係數(shù)：Cd,Cm,Ca,ma=f(Re,k/D,K)2853.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力

運(yùn)動(dòng)方程：單自由度的運(yùn)動(dòng)方程假定：2863.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力

運(yùn)動(dòng)方程：單自由度的運(yùn)動(dòng)方程式中：2873.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力

運(yùn)動(dòng)方程用途試驗(yàn)問題已知構(gòu)件幾何形狀，給定入射波參數(shù)，測(cè)量構(gòu)件在波浪作用下的位移x(t),確定水動(dòng)力係數(shù)：m,c,k,Cd,Cm

等。設(shè)計(jì)問題已知構(gòu)件幾何形狀，給定入射波參數(shù)，選定相關(guān)水動(dòng)力係數(shù)，預(yù)報(bào)構(gòu)件在波浪作用下的位移x(t)。288海洋工程環(huán)境學(xué)DYNAMICSOFOCEANENVIRONMENT2893.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3.5組合構(gòu)件張力腿平臺(tái)桁架腿自升式平臺(tái)2903.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力組合構(gòu)件波浪力計(jì)算示例2913.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力

組合構(gòu)件佈置2923.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力

流場(chǎng)參數(shù)其中2933.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力

垂直構(gòu)件(1#,2#)上的荷載其中2943.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力

垂直構(gòu)件上的荷載2953.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力

垂直構(gòu)件上的荷載2963.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力

垂直構(gòu)件上的荷載2973.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力

垂直構(gòu)件上的荷載2983.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力

垂直構(gòu)件上的荷載2993.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力

傾斜構(gòu)件(3#,4#)上的荷載3003.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力

傾斜構(gòu)件上的荷載..3013.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力群樁效應(yīng)按排或列佈置的構(gòu)件之間會(huì)產(chǎn)生相互作用，在平臺(tái)設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮構(gòu)件的遮擋作用和相互干擾作用。前排樁對(duì)後一排樁有遮擋作用，可以減輕波浪對(duì)後排樁的作用；位於同一排的樁之間有干擾作用，從而增加波浪對(duì)樁柱的作用力。3023.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力群樁效應(yīng)群樁的遮擋和干擾作用主要和樁距l(xiāng)與樁徑D之比和KC數(shù)有關(guān)。一般認(rèn)為當(dāng)l>=4D時(shí)，遮擋作用和干擾作用可不考慮;當(dāng)l<4D時(shí)，應(yīng)將波浪載荷乘以群樁係數(shù)K’。K’值應(yīng)儘量由試驗(yàn)確定，當(dāng)試驗(yàn)資料不足時(shí)，可參照下表選用303海洋工程環(huán)境學(xué)DYNAMICSOFOCEANENVIRONMENT3043.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3.6非線性修正

線性波作用下的波浪荷載取決於波浪作用下水質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度。線性波的條件為

為考查非線性的影響，對(duì)H/L=0.1的荷載計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，以得到定量概念。

為簡化計(jì)算，考慮無限水深的情況。3053.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3.6非線性修正

水質(zhì)點(diǎn)水準(zhǔn)速度修正3063.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3.6非線性修正

水質(zhì)點(diǎn)水準(zhǔn)速度修正在自由表面：在波峰處：3073.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3.6非線性修正

水質(zhì)點(diǎn)水準(zhǔn)速度修正3083.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3.6非線性修正

水質(zhì)點(diǎn)水準(zhǔn)速度修正

當(dāng)H/L足夠大時(shí)，非線性的水準(zhǔn)速度分量在自由表面波峰處為線性計(jì)算結(jié)果的1.37倍。3093.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3.6非線性修正

水準(zhǔn)力修正

只討論阻力項(xiàng)的貢獻(xiàn)。為簡化計(jì)算，可採用三角形法積分，有：3103.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3.6非線性修正

水準(zhǔn)力修正3113.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3.6非線性修正

水準(zhǔn)力修正

當(dāng)H/L足夠大時(shí)，非線性的水準(zhǔn)力為線性計(jì)算結(jié)果的1.87倍。3123.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3.6非線性修正力矩修正3133.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3.6非線性修正力矩修正3143.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3.6非線性修正力矩修正3153.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3.6非線性修正力矩修正

當(dāng)H/L足夠大時(shí)，非線性的力矩為線性計(jì)算結(jié)果的2.09倍。3163.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3.6非線性修正

水準(zhǔn)力修正3173183.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3.7流的影響

阻力項(xiàng)修正u:垂直於構(gòu)件的水質(zhì)點(diǎn)速度

:

波浪引起的水質(zhì)點(diǎn)速度

:水流引起的水質(zhì)點(diǎn)速度3193.作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力3.8波浪理論的適用範(fàn)圍

320作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程構(gòu)件特徵尺度入射波波長321作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力單位長度上的水準(zhǔn)力阻力單位長度上的水準(zhǔn)力慣性力阻力阻尼力慣性力附加品質(zhì)力Morison方程322作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力水質(zhì)點(diǎn)水準(zhǔn)速度構(gòu)件振盪水準(zhǔn)速度水質(zhì)點(diǎn)水準(zhǔn)加速度構(gòu)件振盪水準(zhǔn)加速度Morison方程323作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力阻力係數(shù)阻尼係數(shù)品質(zhì)係數(shù)附加品質(zhì)係數(shù)Morison方程324作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程水動(dòng)力係數(shù)：Cd,Cm,Ca,ma=f(Re,k/D,K)雷諾數(shù)表面粗糙度KC係數(shù)325作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程

波浪作用在構(gòu)件上的力為非定常力，呈週期性變化。326作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程

波浪作用在構(gòu)件上的最大阻力同最大慣性力有90°相位差。327作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程

所有水動(dòng)力係數(shù)均為相對(duì)於波浪傳播方向單位長度構(gòu)件投影面積的數(shù)值。328作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程

所有水動(dòng)力係數(shù)不僅同構(gòu)件表面狀態(tài)和流態(tài)有關(guān)，而且同入射波參數(shù)與構(gòu)件尺度有關(guān)。329作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程

對(duì)於傾斜構(gòu)件，其波浪力可以通過座標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，應(yīng)用Morison方程計(jì)算。330作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程

對(duì)於組合構(gòu)件結(jié)構(gòu)，可能通過調(diào)整主副構(gòu)件的間距實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)。331作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程

當(dāng)波陡接近0.1時(shí)，荷載的非線性計(jì)算結(jié)果可能達(dá)到線性結(jié)果的2倍，必須注重計(jì)算結(jié)果的非線性修正。332作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程導(dǎo)管架構(gòu)件水下流與波浪荷載以及水上風(fēng)荷載333作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程自升式平臺(tái)樁腿水下流與波浪荷載以及水上風(fēng)荷載334作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程自升式平臺(tái)組合結(jié)果樁腿水下流與波浪荷載以及水上風(fēng)荷載335作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程336作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程337作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程338作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程339作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力Morison方程340海洋工程環(huán)境學(xué)DYNAMICSOFOCEANENVIRONMENT3414.波浪力譜Morison方程法是針對(duì)某一特定單波所計(jì)算的作用在構(gòu)件上的力，該力相應(yīng)於這個(gè)單波的圓頻率。工程上對(duì)於波浪作用在結(jié)構(gòu)物上的力在頻域的分佈同樣感興趣，特別是對(duì)於結(jié)構(gòu)物構(gòu)件疲勞的分析。3424.波浪力譜波浪運(yùn)動(dòng)的能量沿頻域的分佈有能量譜密度函數(shù)，結(jié)構(gòu)物對(duì)於波浪運(yùn)動(dòng)回應(yīng)也存在運(yùn)動(dòng)能量譜密度函數(shù)。同樣地，荷載也是結(jié)構(gòu)物對(duì)於波浪運(yùn)動(dòng)的回應(yīng)，其能量也存在關(guān)於頻率的分佈。結(jié)構(gòu)物是由大量構(gòu)件組成，在結(jié)構(gòu)物上(中)有大量設(shè)備或設(shè)施，它們具有各自的固有振動(dòng)頻率。為了最大限度地避免同具有不同頻率的波浪荷載的重合，必須關(guān)注遭遇的波浪荷載的頻率特徵。3434.波浪力譜4.1離散的波浪譜為頻率在區(qū)間波動(dòng)能量的密度。3444.波浪力譜4.2波浪作用下的流場(chǎng)參數(shù)為不規(guī)則波列的離散運(yùn)算式。3454.波浪力譜

根據(jù)線性波理論，水質(zhì)點(diǎn)的速度與加速度可以寫出：其中3464.波浪力譜4.3水質(zhì)點(diǎn)