海底管线上的波浪升力分析

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1、第～章绪论只计算其中惯性力项。区域II：在HA)015范围内，由于墩柱相对尺度较大，柱体绕流影响增大，但流体粘性影响仍较小，因此可以采用不考虑流体粘性效应的波浪绕射理论。区域III：在H仍>10但DFL<015范围内，桩柱相对尺度较小，柱体绕射影响可以不考虑，但由于波高较大，因流体粘性而引起的阻力增大，在计算波浪力州，可以采用Morison方程。区域Ⅳ：在H／D>10且D／L>015范围内，由于流体粘性的影响和柱体绕射的影响都较大，但是(H／L)⋯=0．147，在此区域中实际上波浪早已破碎，因此，此区域波浪

2、实际上并不存在。在计算波浪力时，除大直径柱体以绕射理论分析之外，一般皆以半经验公式求出波浪作用下柱体所受到的波浪力。小直径柱体受波浪力作用时，主要受到两个方向的力：一是与波浪进行方向相同的正向力(in—lineforce)，=是与波浪进行方向垂真的升力(1iftforce)。目前正向力的计算大都引填Morison公式，此公式假设作用力为流体速度力和惯性力之线性和。升力的产生是由于波浪场中柱体后方产生的尾流以及涡旋的不对称释放造成柱体左右两侧的压力差而形成。由于涡流的生成与运动随时间连续变化，故升力为一动态力。近些年来，升力

3、逐渐受到重视，不仅因为升力对结构物造成负荷，更因为升力产生的频率在特定状况下会进入结构物自然振动频率的范围，使结构产生共振现象，进而造成破坏。所以，若是忽视升力的存在，对于结构物本身的安全性将极为不利。一、升力系数与KC数、Re数关系升力主要由柱体附近流体的涡流现象所引起，目前有关升力的研究大多以实验方式，讨论升力系数与无因次参数的关系。在无因次参数中，较重要的是KC数和雷诺数Re。KC=U。T／DRe=U。D／V第一章绪论Bishop和Hassan[3]在水槽中，Re为3．6×103到11×104的范围量测了杆件上的升力

4、和正向力，发现升力系数C。随Re的减少而减少。Biddle[4]J弭．小型断面水槽，直径15／8英寸及6英寸的两种圆形柱体，以线性波浪为基础，进行波浪作用于垂直柱体上升力的实验研究。实验结果表明，对直径1518英寸的柱体而言，升力与KC数和Re数均有良好关系，而直径6英寸的拄体所求出的结果则相当散乱，他因而指出：波浪情况F，雷诺数不是一个判断升力变化的良好参数，KC数是有效的参数。他还指出，升力是不可忽略的～个力，升力与正向力比值最大可达60％。Isaacson[8]也以实验证明升力系数与Re数无关，而仅与KC数及相对水深

5、(d／L)有关。相对水深较小时，升力系数较小：相对水深较大时，升力系数最小；而相对水深适中(O5～0．8)时，升力系数较大。Sarpkaya[13]，用直径2英寸至65英寸共七只圆管在u型水槽中进行1升力试验，定义CL=FL7寺9LDU。2，实验结果见图1-1、图1-2，其中-B=二Re／KC。图1—1不同Re和口下CL随KC的变化第～章绪论图1—2C．～KC～Re关系曲线从两图形中可发现，Re数与KC数对升力来说，皆为良好参数。图1—2表明，Re<104时，C，基本上取决于KC数；当2X104

6、的强度上依赖于KC数和Re数；当Re>105后，可以忽略c．与KC数的关系，认为只与Re数有关。但作者在结论中亦提到，这些结果仅适用于U型水槽试验。在其实验中KC数可达到200，这是由于在U型水槽里可任意调整水流的周期，不象一般波浪水槽受限于水深及种种设施，如造波机性能等。他在研究受海底(固壁)影响的水平管受力时认为c．是KC数、Re数、缝隙比e／D和边界层厚度6的函数，即C。=I(KC，Re，e／D，6／D)。其中6为边界层厚度，在实验中6／12)大约为o073，当e．／D>01时，可以忽略边界层的作用。高家俊[32]、

7、邢至庄[26]在小Re数情况下通过实验认为升力系数C，与Re数的关系并不明显，而与水深有较大关系。康海贵[23]利用英国HR水力研究公司振荡水槽的桩柱模型实验数据，经分析得出，Re数与KC数对升力系数C．影响都不容忽视，如果在计算中仅把升力系数当成KC数的函数是不全面的，仅当Re≥80000时才可以这样假设。一。j．{。．。．。一‘i?，-j第～章绪论-、升力系数与KC数关系Chakrabarti[6]认为在KC数约为105～11时C，取最大值；isaacson认为KC数在11～12时C，取最大值。Sarpkaya[14]

8、认为一般来说C。在KC=12时取最大值，此时，流动表现出最大的不对称性。Maull和Milliner[10]的实验(振荡桩)表明，随KC数增加，在KC=13时C、取第一次极值；KC=18时C，取第二次极值；在更大的KC数时，升力系数反而减小。三、升力频率与波频关系Maull和Milliner[to]认为