波浪理論以及工程應(yīng)用05PPT課件

1、波浪波浪周期性水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)主體彎矩振動(dòng)斷裂疲勞運(yùn)動(dòng)海洋結(jié)構(gòu)物與波浪的相互作用海洋結(jié)構(gòu)物與波浪的相互作用 第1頁(yè)/共54頁(yè)3 作用在結(jié)構(gòu)上的波浪力根據(jù)結(jié)構(gòu)物的特征尺度，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：0.2D L 為小尺度構(gòu)件 入射問(wèn)題入射問(wèn)題；0.2D L 為大尺度構(gòu)件 輻射問(wèn)題輻射問(wèn)題。例：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)于入射問(wèn)題入射問(wèn)題，通?？梢杂枚S方法二維方法處理：Morison方程法方程法，對(duì)于輻射問(wèn)題輻射問(wèn)題，通常可以用三

2、維方法三維方法處理：源匯分布方程法源匯分布方程法。第2頁(yè)/共54頁(yè)3 作用在結(jié)構(gòu)上的波浪力第3頁(yè)/共54頁(yè)1 均勻流誘導(dǎo)荷載均勻流誘導(dǎo)荷載物理模型：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(wèn)題： 水流作用在單位長(zhǎng)度豎直圓柱上的水平力和橫向力？3 作用在結(jié)構(gòu)物上的波浪荷載第4頁(yè)/共54頁(yè) 水平力：水平力：式中：D為樁柱直徑，Vx為流速，Cd為相當(dāng)于迎流面積的阻 力系數(shù)，212xdxfC DV為水密度。阻力系數(shù)：Re,xdV D k

3、CfD3.3 作用在結(jié)構(gòu)物上的流荷載第5頁(yè)/共54頁(yè)3.3 作用在結(jié)構(gòu)物上的流荷載第6頁(yè)/共54頁(yè) 橫向力：橫向力：脈動(dòng)脈動(dòng)21sin(2)2yllxsffC DVf t式中：卡門渦街釋放頻率xsVfSDS 為Strouhal數(shù)。由下圖可見(jiàn)，通常 。0.2S 在一個(gè)卡門渦街釋放周期內(nèi)水流流過(guò)5倍的圓柱直徑的距離。5xsV TD3.3 作用在結(jié)構(gòu)物上的流荷載流流第7頁(yè)/共54頁(yè)3.3 作用在結(jié)構(gòu)物上的流荷載第8頁(yè)/共54頁(yè)3.3 作用在結(jié)構(gòu)物上的流荷載第9頁(yè)/共54頁(yè)1. Phillips2. Schwabe3. Bishop et al.4. Keefe5. Gerrard6. Bingham

4、 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 作用在結(jié)構(gòu)物上的流荷載第10頁(yè)/共54頁(yè)物理模型：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= 4D時(shí)，遮擋作用和干擾作用可不考慮;當(dāng) l 4

5、D時(shí)，應(yīng)將波浪載荷乘以群樁系數(shù)K 。K值應(yīng)盡量由試驗(yàn)確定，當(dāng)試驗(yàn)資料不足時(shí)，可參照下表選用第39頁(yè)/共54頁(yè)3. 作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力非線性效應(yīng)非線性效應(yīng) 線性波作用下的波浪荷載取決于波浪作用下水質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度。線性波的條件為/0.1H L 而對(duì)于海洋結(jié)構(gòu)物的極限設(shè)計(jì)海況， H/L一般在0.1的量級(jí)，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。分別用線性波理論和stokes五階波理論進(jìn)行波浪力的計(jì)算，結(jié)果表明采用五階波理論計(jì)算的波浪力比用線性波理論計(jì)算的波浪力大1.6倍，說(shuō)明在大波陡的情況下必須用非線性波浪理論進(jìn)行波浪力的計(jì)算。第40頁(yè)/共54頁(yè)3

6、. 作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力 非線性影響非線性影響 - 海流速度的影響第41頁(yè)/共54頁(yè)3. 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)的波浪荷載計(jì)入構(gòu)件運(yùn)動(dòng)效應(yīng)的波浪荷載DpwuxzxHdL第42頁(yè)/共54頁(yè) Morison方程中的阻力項(xiàng),12d xdfC D ux ux其中速度平方項(xiàng)可近似為ux uxu uu x則有,111222d xdddafC D u uC D u xC D u uC x3. 作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力第43頁(yè)/共54頁(yè) Morison方程中的阻力項(xiàng),111222d xdddafC D u uC D u xC D u uC x阻力項(xiàng)阻尼項(xiàng)其中 Ca 阻尼系數(shù)

7、。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。3. 作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力第44頁(yè)/共54頁(yè) Morison方程中的慣性力項(xiàng)單位長(zhǎng)度圓柱上水作用的慣性力：mfC m u 單位長(zhǎng)度圓柱運(yùn)動(dòng)引起的慣性力：fm x單位長(zhǎng)度圓柱運(yùn)動(dòng)水作用的慣性力：mfC m x 慣性力之和：,1i xmfmffmfmfmfafC m uC m xm xC m uCm xC m um x3. 作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力第45頁(yè)/共54頁(yè) Morison方程中的慣性力項(xiàng)慣性力之和：,1i xmfmffmfmfmfafC m uC m xm xC m uCm xC m um x慣性力項(xiàng)附加水質(zhì)量慣性力

8、項(xiàng)其中：24fDm3. 作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力第46頁(yè)/共54頁(yè) Morison方程中的慣性力項(xiàng)慣性力之和：,1i xmfmffmfmfmfafC m uC m xm xC m uCm xC m um x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。3. 作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力第47頁(yè)/共54頁(yè)水平力=阻力項(xiàng)+阻尼項(xiàng)+慣性力項(xiàng)+附加質(zhì)量項(xiàng)水動(dòng)力系數(shù)：Cd , Cm , Ca , ma = f ( Re , k/D , K )3. 作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力2,212xd xi xdamfadxdud xfffC D u uCC mmdtdtdt第48

9、頁(yè)/共54頁(yè)規(guī)范中對(duì)各項(xiàng)系數(shù)的規(guī)定 迄今，有關(guān)CM、Cd和Cl的已有資料，沒(méi)有一組數(shù)據(jù)能令人信服地用于實(shí)體的各種情形。 把試驗(yàn)結(jié)果用于實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，必須極其小心。因?yàn)?，現(xiàn)有的資料都是在特定狀態(tài)下得到的，所介紹的比較和證實(shí)方法都有自身的規(guī)定，尚無(wú)普遍適用的具體準(zhǔn)則。3. 作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力第49頁(yè)/共54頁(yè)3. 作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力 1美國(guó)石油學(xué)會(huì) 作用在構(gòu)件上的波浪力建議用Morison公式進(jìn)行計(jì)算。典型的CM和CD值分別給定為1.5至2.0，以及0.6至1.0。結(jié)構(gòu)的自然頻率接近主要結(jié)構(gòu)分量頻率時(shí)，要求作動(dòng)力分析。 2英國(guó)勞氏規(guī)范 波浪載荷用具有適當(dāng)系數(shù)值的Morison方程計(jì)算

10、。當(dāng)采用Stokes波理論時(shí)，在飛濺區(qū)CD=08，其他區(qū)域CD0.6，而CM2.0，除非用繞射分析方法發(fā)現(xiàn)可用較低的值。如果采用Airy波理論，CD1.0。渦發(fā)放對(duì)立管或生產(chǎn)管線的影響必須研究。波浪對(duì)平均水面附近的水平構(gòu)件的砰擊可作為阻力，用CD3.5確定。第50頁(yè)/共54頁(yè)3. 作用在小尺度構(gòu)件上的波浪力 3挪威石油管理局 在計(jì)算波浪載荷時(shí)，必須使用適當(dāng)?shù)木€性或非線性波浪理論。小構(gòu)件D/L0.2 必須采用包括流和結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)形式的Morison方程。CM、CD和CL值是Re、KC、St、粗糙度和其他構(gòu)件或邊界的靠近程度的函數(shù)。光滑柱體的CD最小值為09。R63*105、KC60時(shí)CL最小值為0.2。高Re和KC數(shù)時(shí)，推薦CD和CL的定常流值。計(jì)算作用在小構(gòu)件上的波浪載荷、慣性力和阻