海洋工程環(huán)境學(xué)

1、海洋工程環(huán)境學(xué)第1頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四0 海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì) 各種環(huán)境因素引起的荷載不同環(huán)境因素聯(lián)合作用引起的荷載 外部荷載確定設(shè)計(jì)波/安全系數(shù)譜分析/可靠性分析理論計(jì)算經(jīng)驗(yàn)與試驗(yàn)規(guī)范與規(guī)則波浪載荷分析第2頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四0 海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì) 海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)建造規(guī)范與規(guī)則 確定外部荷載美國石油學(xué)會(huì) API挪威船級(jí)社 DNV中國船級(jí)社 CCS船東選定第3頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四浪周期性結(jié)構(gòu)主體彎矩振動(dòng)斷裂疲勞運(yùn)動(dòng)0 海洋結(jié)構(gòu)物與環(huán)境因素的相互作用 第4頁，共43頁，2022年，5月20日，

2、12點(diǎn)39分，星期四1. 能量譜密度概念1. 海洋環(huán)境因素分析計(jì)算 實(shí)際海浪是極其復(fù)雜的，只能將海浪作為一個(gè)隨機(jī)過程加以研究，即略去個(gè)別波的特征，而是從總體上來加以把握。譜的概念就是從海浪的能量分布上描述海浪的特性。因?yàn)橹懒撕＠俗V，海浪的內(nèi)外結(jié)構(gòu)就得到描述。海浪譜的研究，在工程應(yīng)用上是十分重要的。在造船和海洋工程中，50年代以前是利用簡(jiǎn)單規(guī)則波來討論船體或其它水工建筑物在波浪作用下的運(yùn)動(dòng)和波浪的作用力，但實(shí)際海浪的復(fù)雜結(jié)構(gòu)是遠(yuǎn)非簡(jiǎn)單規(guī)則波可以代表的。因此，必須將海浪對(duì)船體或其它海洋工程建筑的作用也要用譜的概念來作研究，才能較好地反映實(shí)際情況。第5頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)3

3、9分，星期四1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征1. 能量譜密度概念上節(jié)中介紹了LonguetHiggins提出的海浪模型。這個(gè)模型是：任一固定點(diǎn)的表面波動(dòng)(t)是由無限多個(gè)隨機(jī)余弦組成波迭加而成，即：為第n個(gè)具有常頻的組成波的幅值；為常頻，為第n個(gè)組成波的頻率；為第n個(gè)組成波的相位 (隨機(jī)變量,正態(tài)分布)。1. 海洋環(huán)境因素分析計(jì)算 第6頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征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。單個(gè)組成波在單位面積的鉛直水柱內(nèi)的平均能量為海浪的總能量E由所有組成波提供。1. 海洋環(huán)境因

4、素分析計(jì)算 第7頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四波動(dòng)能量示意圖1. 海洋環(huán)境因素分析計(jì)算 第8頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四對(duì)一單元規(guī)則波，其單位面積具有的波能為：去掉系數(shù)，隨機(jī)過程 t 時(shí)刻，頻率在 單位區(qū)間，波動(dòng)的能量可以表示為 50該能量在整個(gè)測(cè)量周期的平均值為該能量關(guān)于頻率區(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)的能量分布特征第9頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四50譜（spectrum）的物理概念是表示隨機(jī)過程的波動(dòng)能量在頻率域的分布。1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征第10頁，共43頁，2022年

5、，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四501.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征第11頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四50波能譜密度函數(shù)表示不規(guī)則波浪中各種頻率波的能量在總波能中所占的分量，譜函數(shù)為非負(fù)函數(shù)，恒等于或大于零；波能譜曲線在低頻和高頻端都趨于零，這表明實(shí)際上特別長和特別短的波的波能在總波能中不起什么作用；波能譜曲線峰值鄰近區(qū)表示相對(duì)波能量比較大的成分波，窄而尖的波能譜代表波能集中在范圍較小的頻帶內(nèi)，其波浪比較有規(guī)律，例如涌浪的波能譜接近這類譜型；波能譜比較平緩，譜峰不突出代表波能較分散，波浪的不規(guī)則性較強(qiáng)，海上風(fēng)波的波能譜通常屬這類譜型。譜函數(shù)的特點(diǎn)：1.3 波浪運(yùn)動(dòng)

6、的能量分布特征第12頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四非平穩(wěn)過程 (寬帶)平穩(wěn)過程 (窄帶)單頻過程 (線譜)1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征第13頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四50以上討論的為二因次波能譜，只局限于長峰不規(guī)則波浪，即認(rèn)為波浪只沿單一方向傳播，只有涌浪可近似認(rèn)為是屬長蜂不規(guī)則波。實(shí)際上，海面的風(fēng)浪是來自多方向的不規(guī)則波浪混合而成，海面呈現(xiàn)小丘狀的波，即為三因次波或稱短峰波。三因次波能譜描繪風(fēng)波更接近實(shí)際，但這方面的研究還很不成熟。目前，在船舶工程領(lǐng)域，對(duì)海浪的描述仍然是以二因次波能譜為基礎(chǔ)。 1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征第14

7、頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四50512. 根據(jù)波浪觀測(cè)時(shí)歷計(jì)算波浪譜1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征已知波浪觀測(cè)時(shí)歷，計(jì)算得到相應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)，根據(jù)Wiener-Khintchine定理計(jì)算獲得相應(yīng)的能量譜密度函數(shù)。應(yīng)用快速傅立葉變換方法 (FFT)，對(duì)波浪觀測(cè)時(shí)歷進(jìn)行時(shí)頻域變換。得到各頻率波浪分量的平方即為波浪譜。第15頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四50512. 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)刻的相似程度的函數(shù)。1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征第16頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四50自相

8、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)的能量分布特征第17頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四3. Wiener-Khintchine定理定理1：能量譜密度函數(shù)等于自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換。定理2：自相關(guān)函數(shù)等于能量譜密度函數(shù)的傅立葉逆變換。 1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征第18頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四雙邊譜單邊譜 1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征第19頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四寫出自相關(guān)函數(shù)的離散表達(dá)式兩式比較可見1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量

9、分布特征第20頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四50數(shù)字化的波浪觀測(cè)子樣海洋調(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。 水池中造波單元波振幅1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征第21頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四 于是，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)系：均方根波高：4. 用譜函數(shù)表達(dá)的統(tǒng)計(jì)特征1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征第22頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四其中為能量譜密度函數(shù)的譜矩。1.3 波

10、浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征常用的為能量譜密度函數(shù)的零，二和四階矩。順便給出譜寬系數(shù)：第23頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四5051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)周期中波的個(gè)數(shù)有關(guān)。有 對(duì)于波浪運(yùn)動(dòng)，通常認(rèn)為是窄帶過程，有1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征第24頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四最大波高同譜矩和均方根波高的關(guān)系：1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征根據(jù)均方根波高和有義波高的關(guān)系，可得有義波高第25頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四平均過零周期：平均過零周期由隨機(jī)過

11、程通過零水平次數(shù)的期望值確定。即單位時(shí)間過水平的平均次數(shù)當(dāng)有1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征第26頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四相應(yīng)的平均過零周期為：1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征第27頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四譜寬修正：1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征第28頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四5. 線性變換系統(tǒng) 輸入 結(jié)構(gòu)響應(yīng) 輸出線性系統(tǒng)，假設(shè)輸入輸出值都是小量，各分量可以線性疊加1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征海洋結(jié)構(gòu)物第29頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四505. 線性變換系統(tǒng)X(t)

12、 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)物的頻率響應(yīng)函數(shù)。1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征第30頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四對(duì)于線性變換系統(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)物的頻率響應(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)于輸入和輸出的一個(gè)線性變換系統(tǒng)。1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征第31頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四線性變換系統(tǒng)的用途：已知海浪譜SX 和船或結(jié)構(gòu)物某性能的頻率響應(yīng)函數(shù)H， 可以

13、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)物某性能的頻率響應(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及其某性能的頻率響應(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)的能量分布特征第32頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四6. 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（Neumann）：其中 A ，B，p，q有不同的形式與相關(guān)變量。這些變量包括風(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布參數(shù)等。1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征第33頁，共4

14、3頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四 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)的能量分布特征第34頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四 Pierson-Moscowitz (1964) 譜 (P-M 譜)1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征第35頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四 Pierson-Moscowitz (1964)

15、譜 (P-M 譜)1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征第36頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四 ITTC (1987) 雙參數(shù)譜 (ISSC 譜)1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征第37頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四 JONSWAP (1973) 譜適用于有限風(fēng)區(qū)的波浪譜1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征第38頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四 JONSWAP (1973) 譜適用于有限風(fēng)區(qū)的波浪譜1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征 JONSWAP譜 是由英、荷、美、聯(lián)邦德國于1968年至1969年聯(lián)合研究北海波浪的成果，全名為Joint North Sea Wave Project第39頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四 JONSWAP (1973) 譜 表達(dá)式為1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征為譜峰升高因子，取值范圍16，通常取3.3第40頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四 JONSWAP (1973) 譜1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征第41頁，共43頁，2022年，5月20日，12點(diǎn)39分，星期四 用Hs和Tz定義的JONSWAP 譜 其中SPM為PM譜函數(shù)， 為譜峰函數(shù) K為為保證根據(jù)譜推算的有義波高能和輸入的HS對(duì)應(yīng)而取的系