小尺度结构物上

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1、第三章小尺度结构物上的波浪力各种平台,在设计波浪情况下,基础和支撑结构承受相当大的波浪力波浪对固定海工结构物的四种效应(1)粘性效应(2)惯性效应(3)散射效应(4)自由面效应近海结构物波浪力三种方法(1)Morison公式(小尺度,桩柱输油管道等)(2)Froude-Krylov方法(大尺度,重力式平台大型储油罐等)(3)绕射理论(任意形状结构物)确定三种计算方法的适用范围量纲分析:M-L-T系统,无因次化为5个量为流体质点最大速度为KC参数，表征阻力的影响，等价为流体质点轨迹圆的直径为Re数为绕射参数（结构直径与波长比）

2、KC数大则绕射参数小，反之绕射参数大则绕射参数大散射作用大则阻力小，散射效应小则阻力大。Garrison给出波浪力计算范围图小尺度：D/L<0.2Morison方程大尺度：D/L>0.2F-K法散射理论绕流力1圆柱绕流拖曵力定常水流绕过圆柱体时，沿流动方向作用在圆柱上的力摩擦拖曳力+压差拖曳力a与Re（）数有关b与圆柱表面摩擦系数有关c与结构物形状有关d与绕流边界层形成、发展和分离情况有关绕流产生、发展情况：Re<5,边界层不分离，无漩涡5~15

3、形成涡街150

4、放频率，工程中应避免它与构件自振频率（固有频率）接近，以免出现涡激共振现象。例题一根打入海底的圆形木桩，长度l=20m，直径D=0.4m，水深d=15m，海流速度u=1m/s，试计算海流作用在木桩上的拖曳力、惯性力，并确定发生涡激共振危险所对应的海流速度。计算使用数据木材弹性模量木材密度海水密度木桩横截面积惯性矩拖曳力系数木桩自振频率木桩质量附加质量惯性力海流作用在木桩拖曳力斯特罗哈尔数涡泄放频率对应海流速度单位长度圆柱体上的拖曳力脉动拖曳力脉动横向力2绕流惯性力非定常绕流运动中绕流流体对圆柱的作用，还有流体速度引起的惯性力

5、在速度分布为流场中，有排水体积为V的柱体固定其中，若不考虑柱体对流场的影响（散射效应），将柱体边界作为流体边界一部分。若没有柱体存在，柱体存在位置的流体应随其余流体一起作加速运动，但由于柱体存在，这部分流体被减速至静止，因此加速流体应对柱体产生沿流动方向作用的惯性力。把它称为Froude-Krelov（弗汝德-克雷洛夫）力。其中为未扰动流体平均全加速度。对细长圆柱体，可取为柱体轴线处流体加速度。由于柱体的存在，必定改变流场分布，这种变化在柱体表面最大，随离柱体的距离增加而减小。柱体扰动使柱体周围改变运动状态的流体产生惯性力，

6、改变流动状态的流体的质量称为附加质量。总惯性力令则3-2Morison方程一、直立圆柱波浪力Morison,O’Brien,Johnson,Shaaf(1950)单位长度上圆柱所受水平波浪力基准体积基准面积直立圆柱所受总水平波浪力：讨论:（1）Morison方程的理论局限（2）影响水动力系数的因素直立圆柱波浪力（线性波理论）圆柱所受波浪力为时间周期函数，最大值对应相位倾覆力矩：kx=0时，可写为：最大波浪力作用点位置二、Morison方程其它形势1、倾斜柱体为柱体轴向单位矢量若波浪为二维波（xoz平面内）若倾斜柱体也在xoz

7、平面内讨论（1）轴向力（2）横向力（3）倾斜柱体力系数与垂直柱体力系数（图3-4，3-5）2、振荡柱体（常用于试验上测量柱体水动力系数）A、对波浪中固定柱体波浪力，设计阶段，其适用性可能处于允许误差范围内；B、设计移动近海结构，可直接应用。作用在柱体上的流体反作用力为附加质量系数，为静水中振荡柱体阻力系数。静水中振荡柱体与振荡流流经柱体的情形是等价的。惯性力系数U形槽中振荡流流经柱体的试验U形槽数据和波浪水槽数据在低Re数有较好相关性，要证明对海洋近海结构的适用性，还需进一步证明。3、定常流中的振荡柱体KC数：4、波浪和流中

8、的固定柱体3-2横向力一概述横向力：波浪在柱体后漩涡尾流区的形成的垂直与波浪传播方向的波浪力规则波中垂直柱体涡的泄放：1970BiddeKC>5时，尾涡出现不对称fL是不规则的横向力公式由于横向力是不规则的，将随时间不规则变化定义最大横向力系数二、横向力傅氏级数表达：为横向力n次谐力，不随