波浪理論以及工程應用05PPT課件

1、波浪波浪周期性水質點運動結構主體彎矩振動斷裂疲勞運動海洋結構物與波浪的相互作用海洋結構物與波浪的相互作用 第1頁/共54頁3 作用在結構上的波浪力根據結構物的特征尺度，可以分為小尺度構件和大尺度結構兩種不同類型。其劃分標準為：0.2D L 為小尺度構件 入射問題入射問題；0.2D L 為大尺度構件 輻射問題輻射問題。例：例：自升式平臺：D = O(1m), L=O(100m), D/L = 0.1 半潛式平臺：D = O(100m), L = O(300m), D/L = 0.3對于入射問題入射問題，通?？梢杂枚S方法二維方法處理：Morison方程法方程法，對于輻射問題輻射問題，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/共54頁3 作用在結構上的波浪力第3頁/共54頁1 均勻流誘導荷載均勻流誘導荷載物理模型：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豎直圓柱上的水平力和橫向力？3 作用在結構物上的波浪荷載第4頁/共54頁 水平力：水平力：式中：D為樁柱直徑，Vx為流速，Cd為相當于迎流面積的阻 力系數，212xdxfC DV為水密度。阻力系數：Re,xdV D k

3、CfD3.3 作用在結構物上的流荷載第5頁/共54頁3.3 作用在結構物上的流荷載第6頁/共54頁 橫向力：橫向力：脈動脈動21sin(2)2yllxsffC DVf t式中：卡門渦街釋放頻率xsVfSDS 為Strouhal數。由下圖可見，通常 。0.2S 在一個卡門渦街釋放周期內水流流過5倍的圓柱直徑的距離。5xsV TD3.3 作用在結構物上的流荷載流流第7頁/共54頁3.3 作用在結構物上的流荷載第8頁/共54頁3.3 作用在結構物上的流荷載第9頁/共54頁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 作用在結構物上的流荷載第10頁/共54頁物理模型：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，遮擋作用和干擾作用可不考慮;當 l 4

5、D時，應將波浪載荷乘以群樁系數K 。K值應盡量由試驗確定，當試驗資料不足時，可參照下表選用第39頁/共54頁3. 作用在小尺度構件上的波浪力非線性效應非線性效應 線性波作用下的波浪荷載取決于波浪作用下水質點的速度和加速度。線性波的條件為/0.1H L 而對于海洋結構物的極限設計海況， H/L一般在0.1的量級，為考查非線性的影響，對 H/L= 0.1的荷載計算結果進行分析，以得到定量概念。分別用線性波理論和stokes五階波理論進行波浪力的計算，結果表明采用五階波理論計算的波浪力比用線性波理論計算的波浪力大1.6倍，說明在大波陡的情況下必須用非線性波浪理論進行波浪力的計算。第40頁/共54頁3

6、. 作用在小尺度構件上的波浪力 非線性影響非線性影響 - 海流速度的影響第41頁/共54頁3. 作用在小尺度構件上的波浪力3.4 計入構件運動效應的波浪荷載計入構件運動效應的波浪荷載DpwuxzxHdL第42頁/共54頁 Morison方程中的阻力項,12d xdfC D ux ux其中速度平方項可近似為ux uxu uu x則有,111222d xdddafC D u uC D u xC D u uC x3. 作用在小尺度構件上的波浪力第43頁/共54頁 Morison方程中的阻力項,111222d xdddafC D u uC D u xC D u uC x阻力項阻尼項其中 Ca 阻尼系數

7、。構件呈撓性，適當的位移可以釋放一些荷載的能量，以減小波浪荷載。3. 作用在小尺度構件上的波浪力第44頁/共54頁 Morison方程中的慣性力項單位長度圓柱上水作用的慣性力：mfC m u 單位長度圓柱運動引起的慣性力：fm x單位長度圓柱運動水作用的慣性力：mfC m x 慣性力之和：,1i xmfmffmfmfmfafC m uC m xm xC m uCm xC m um x3. 作用在小尺度構件上的波浪力第45頁/共54頁 Morison方程中的慣性力項慣性力之和：,1i xmfmffmfmfmfafC m uC m xm xC m uCm xC m um x慣性力項附加水質量慣性力

8、項其中：24fDm3. 作用在小尺度構件上的波浪力第46頁/共54頁 Morison方程中的慣性力項慣性力之和：,1i xmfmffmfmfmfafC m uC m xm xC m uCm xC m um x慣性力項附加水質量慣性力象構件運動帶有附加水，這部分水的慣性力有可能導致荷載增加。3. 作用在小尺度構件上的波浪力第47頁/共54頁水平力=阻力項+阻尼項+慣性力項+附加質量項水動力系數：Cd , Cm , Ca , ma = f ( Re , k/D , K )3. 作用在小尺度構件上的波浪力2,212xd xi xdamfadxdud xfffC D u uCC mmdtdtdt第48

9、頁/共54頁規(guī)范中對各項系數的規(guī)定 迄今，有關CM、Cd和Cl的已有資料，沒有一組數據能令人信服地用于實體的各種情形。 把試驗結果用于實際設計時，必須極其小心。因為，現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方法都有自身的規(guī)定，尚無普遍適用的具體準則。3. 作用在小尺度構件上的波浪力第49頁/共54頁3. 作用在小尺度構件上的波浪力 1美國石油學會 作用在構件上的波浪力建議用Morison公式進行計算。典型的CM和CD值分別給定為1.5至2.0，以及0.6至1.0。結構的自然頻率接近主要結構分量頻率時，要求作動力分析。 2英國勞氏規(guī)范 波浪載荷用具有適當系數值的Morison方程計算

10、。當采用Stokes波理論時，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)現可用較低的值。如果采用Airy波理論，CD1.0。渦發(fā)放對立管或生產管線的影響必須研究。波浪對平均水面附近的水平構件的砰擊可作為阻力，用CD3.5確定。第50頁/共54頁3. 作用在小尺度構件上的波浪力 3挪威石油管理局 在計算波浪載荷時，必須使用適當的線性或非線性波浪理論。小構件D/L0.2 必須采用包括流和結構運動的相對運動形式的Morison方程。CM、CD和CL值是Re、KC、St、粗糙度和其他構件或邊界的靠近程度的函數。光滑柱體的CD最小值為09。R63*105、KC60時CL最小值為0.2。高Re和KC數時，推薦CD和CL的定常流值。計算作用在小構件上的波浪載荷、慣性力和阻