波浪理论以及工程应用(2)

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1、波浪理论及工程应用船舶工程学院钱昆波浪周期性水质点运动结构主体弯矩振动断裂疲劳运动海洋结构物与波浪的相互作用3作用在结构上的波浪力根据结构物的特征尺度，可以分为小尺度构件和大尺度结构两种不同类型。其划分标准为：为小尺度构件入射问题；为大尺度构件辐射问题。例：自升式平台：D=O(1m),L=O(100m),D/L=0.1半潜式平台：D=O(100m),L=O(300m),D/L=0.3对于入射问题，通常可以用二维方法处理：Morison方程法，对于辐射问题，通常可以用三维方法处理：源汇分布方程法。3作用在结构上的波浪力1均匀流诱导荷载物理模型：圆柱(桩柱)：直径D，一端垂直刚性固定在

2、海底，另一端露出水面；水域：刚性海底平行静止表面，水深d,均匀流速Vx.坐标系：xoz:ox在静止水面，沿流方向；oz垂直静止水面向上。求解问题：水流作用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水平力：式中：D为桩柱直径，Vx为流速，Cd为相当于迎流面积的阻力系数，为水密度。阻力系数：3.3作用在结构物上的流荷载3.3作用在结构物上的流荷载横向力：脉动式中：卡门涡街释放频率S为Strouhal数。由下图可见，通常。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。3.3作用在结构物上的流荷载流3.3作用在结构物上的流荷载3.3作用在结构物上的流荷载3.3

3、作用在结构物上的流荷载3作用在小尺度构件上的波浪力物理模型：圆柱(桩柱)：直径D，一端垂直刚性固定在海底，另一端露出水面；水域：刚性海底平行静止水面，水深d,自由表面为线性波，H/L<<0.1；坐标系：xoz:ox在静止水面，沿流方向；oz垂直静止水面向上，原点于波峰下静止水面(余弦波)。求解问题：波浪流场作用在单位长度圆柱上的水平力?波浪诱导荷载其中：第一项为单位长度圆柱上的阻力(Drag)，第二项为单位长度圆柱上的惯性力。为相对于迎流面积的阻力系数。为相对于迎流面积的质量系数。3作用在小尺度构件上的波浪力波浪力的计算-Morison方程式中：波浪诱导水质点水平速度分量，波浪诱导

4、水质点水平加速度分量。为单位长圆柱迎浪面积。为单位尺度圆柱排水体积。3作用在小尺度构件上的波浪力3作用在小尺度构件上的波浪力立柱上的总波浪诱导载荷K为Keulegan-Carpenter数：为水质点按水平速度幅值在一个震荡周期所移动的距离与圆柱直径之比。k/D为柱体表面相对粗糙度3作用在小尺度构件上的波浪力不考虑系数随时间的变化，有：震荡流惯性力为主要成分准均匀流阻力为主要成分中间流惯性力与阻力为成分相当3作用在小尺度构件上的波浪力3作用在小尺度构件上的波浪力Sapkaya(1977)振荡流试验的结果。3作用在小尺度构件上的波浪力3作用在小尺度构件上的波浪力Sapkaya(1977)用

5、粗糙圆柱体水平放置在U形管内，作振荡流试验的结果。3作用在小尺度构件上的波浪力3作用在小尺度构件上的波浪力3作用在小尺度构件上的波浪力3作用在小尺度构件上的波浪力Chakrabarti(1982)在波浪水槽中用垂直柱体，在规则波中试验得到惯性力、阻力和横向力系数，结果如下3作用在小尺度构件上的波浪力Tanaka等人(1983)和Bearman(1984)等人给出光滑固定正方形柱体的水动力系数。正方形柱体棱边向着振荡流，CM和CD是KC数的函数。从中可看出CM比圆形柱体相应值大。3作用在小尺度构件上的波浪力波浪诱导横向载荷式中为相位角。升力系数为雷诺数,相对粗糙度和Keulegan-Ca

6、rpenter数K的函数。.Sarpkaya对于相关的水动力系数提供了试验结果，可供设计中使用。3作用在小尺度构件上的波浪力3作用在小尺度构件上的波浪力3作用在小尺度构件上的波浪力3作用在小尺度构件上的波浪力横向力频率相对频率3作用在小尺度构件上的波浪力Sarpkaya建议：当取当雷诺数很大取另外，当k/D=310-3时，Cl同Re无关，可以用光滑圆柱的结果。3作用在小尺度构件上的波浪力3.作用在小尺度构件上的波浪力倾斜构件上的荷载VsVnV倾斜柱体上的波浪力是根据在柱体上任一点处，与柱轴垂直的水质点的速度vn和加速度vn确定的，可以通过坐标转换方法，应用Morison方程计算。.3

7、.作用在小尺度构件上的波浪力倾斜构件上的荷载对于倾斜柱体，在柱体上任一点处，与柱轴垂直的水质点的速度vn和加速度vn是由波浪水质点的速度u和加速度a组成。由于波浪水质点的速度分量和加速度分量的大小是不同的，使得速度u和加速度a虽同在zox平面内，但不在一条线上，故在一般情况下，对于任意方向的倾斜柱体，与柱轴正交的速度vn和加速度vn．将不在一空间平面内。因此由拖曳力和惯性力迭加的总力，就必须写为矢量形式。对于倾斜柱体—般形式下的莫里森方程应写为