1、第三章 小尺度構(gòu)造物上的波浪力 各種平臺,在設(shè)計(jì)波浪情況下,根底和支撐構(gòu)造接受相當(dāng)大的波浪力 波浪對固定海工構(gòu)造物的四種效應(yīng) (1)粘性效應(yīng) (2)慣性效應(yīng) (3)散射效應(yīng) (4)自在面效應(yīng) 近海構(gòu)造物波浪力三種方法 (1)Morison公式(小尺度,樁柱 輸油管道等) (2) Froude-Krylov方法 (大尺度,重力式平臺 大型儲油罐等) (3)繞射實(shí)際 (任不測形構(gòu)造物) 確定三種計(jì)算方法的適用范圍 量綱分析: M-L-T系統(tǒng),無因次化為5個量 為流體質(zhì)點(diǎn)最大速度 為KC參數(shù)，表征阻力的影響， 等價(jià)為流體質(zhì)點(diǎn)軌跡 圓的直徑 為Re數(shù) 為繞射參數(shù)構(gòu)造直徑與波長比DL0u D0u TD0

2、u0( , , , , )ft T D L u 0020(,)u T u TftDu DTDL KC數(shù)大那么繞射參數(shù)小，反之繞射參數(shù)大那么繞射參數(shù)數(shù)大那么繞射參數(shù)小，反之繞射參數(shù)大那么繞射參數(shù)大大 散射作用大那么阻力小，散射效應(yīng)小那么阻力大。散射作用大那么阻力小，散射效應(yīng)小那么阻力大。 Garrison給出波浪力計(jì)算范圍圖給出波浪力計(jì)算范圍圖 小尺度：小尺度：D/L0.2 F-K法法 散射實(shí)際散射實(shí)際繞流力 1 圓柱繞流拖曵力圓柱繞流拖曵力 定常水流繞過圓柱體時，沿流動方向作用在圓柱上的定常水流繞過圓柱體時，沿流動方向作用在圓柱上的力力 摩擦拖曳力摩擦拖曳力+壓差拖曳力壓差拖曳力 a 與與Re

3、 數(shù)有關(guān)數(shù)有關(guān) b 與圓柱外表摩擦系數(shù)有關(guān)與圓柱外表摩擦系數(shù)有關(guān) c 與構(gòu)造物外形有關(guān)與構(gòu)造物外形有關(guān) d 與繞流邊境層構(gòu)成、開展和分別情況有關(guān)與繞流邊境層構(gòu)成、開展和分別情況有關(guān) 繞流產(chǎn)生、開展情況：繞流產(chǎn)生、開展情況： Re5, 邊境層不分別，無漩渦邊境層不分別，無漩渦 515Re40, 邊境層分別，尾部出現(xiàn)一對穩(wěn)定漩渦邊境層分別，尾部出現(xiàn)一對穩(wěn)定漩渦 40Re150, 尾渦交替出現(xiàn)，構(gòu)成渦街尾渦交替出現(xiàn)，構(gòu)成渦街 150Re300, 尾流向紊流過渡尾流向紊流過渡 300Re310*5, 尾流全為紊流尾流全為紊流 310*5Re310*6, 尾流變窄，混亂尾流變窄，混亂 310*65時，尾

4、渦出現(xiàn)不對稱 fL是不規(guī)那么的 橫向力公式 由于橫向力是不規(guī)那么的， 將隨時間不規(guī)那么變化 定義最大橫向力系數(shù) 二、橫向力傅氏級數(shù)表達(dá)： 為橫向力n次諧力，不隨時間變化 為相應(yīng)相位角2212LLLDfC DuC A uLCmaxmax20LLDfCA u201cos()NLDLnnnfA uCnwtLnCn 1976 chakrabarti實(shí)驗(yàn)結(jié)果p63 在大部分KC數(shù)范圍 波浪力主要頻率為二階波浪頻率 工程設(shè)計(jì)中，估算公式 Kc18時，主要頻率將出現(xiàn)三倍波浪頻率2(1,3,4,5)LLnCCn211cos2()2 ()82LLDHfCKshk dsh k dKsh kd3-3水動力系數(shù) 實(shí)驗(yàn)

5、方法 影響水動力系數(shù)的要素： KC, Re，柱體粗糙度，柱體傾斜度，外形等max,MDLCCC波浪水槽固定柱體實(shí)驗(yàn)研究振蕩柱體實(shí)驗(yàn)U型槽中振蕩流實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)（海試）相關(guān)實(shí)驗(yàn) 一、光滑柱體一、光滑柱體 A 程度力程度力 1976，Sarpkaya做了廣泛的實(shí)驗(yàn)，研討水動力系數(shù)與做了廣泛的實(shí)驗(yàn)，研討水動力系數(shù)與Re數(shù)和數(shù)和KC數(shù)的關(guān)系數(shù)的關(guān)系U型槽簡諧振動流型槽簡諧振動流 結(jié)論：結(jié)論：a) 隨隨Re數(shù)增大先減小至約數(shù)增大先減小至約0.5，然后添加趨于一，然后添加趨于一常常 數(shù)，數(shù)， 時，時， 約為約為0.62； b 隨隨Re增大先增大至一最大值，然后趨于一常增大先增大至一最大值，然后趨于一常 數(shù)，

6、數(shù)， 時，約為時，約為2.0； c 隨隨Re，KC變化曲線變化曲線DC6Re1.5 10DCMC6Re1.5 10,MDCC 1980，Chakrabarti波浪水槽中的柱體 結(jié)論： a、 b、 曲線MDCC增加，小,MDCC海上實(shí)驗(yàn)： 1979，美國Exxon石油公司在墨西哥灣原型觀測 平臺尺寸6.1*12.2*36.8d=20.1m結(jié)論： a、KC20時，CD,CM 數(shù)據(jù)分散，KC=2045時，分散性 減小 b、KC數(shù)增大時，CD趨近0.68 c、CM的平均值隨資料分析方法而異 1979，Bishop分析1976年Christchurch灣的觀測數(shù)據(jù) 結(jié)論 CD=1.0, CM=1.85

7、B 橫向力橫向力 Sarpkaya 在在Re和和KC數(shù)范圍很廣的實(shí)驗(yàn)：數(shù)范圍很廣的實(shí)驗(yàn)： 結(jié)論：結(jié)論： Re2e4時，時，CL取決于取決于KC和和Re 2、粗糙柱體、粗糙柱體 海污：海洋生物附著在構(gòu)造上海污：海洋生物附著在構(gòu)造上 1構(gòu)件尺度增大構(gòu)件尺度增大 2改動水動力系數(shù)改動水動力系數(shù) 3添加構(gòu)造分量添加構(gòu)造分量 4使周圍流場不穩(wěn)定使周圍流場不穩(wěn)定 實(shí)驗(yàn)室中，海污長用外表噴沙粗化進(jìn)展模擬，海污程度用實(shí)驗(yàn)室中，海污長用外表噴沙粗化進(jìn)展模擬，海污程度用不同砂種來表達(dá)不同砂種來表達(dá) K/DK為沙粒尺度為沙粒尺度 1982年，年，Chakrabati，波浪水槽中垂直柱體噴砂粗化實(shí)，波浪水槽中垂直柱體

8、噴砂粗化實(shí)驗(yàn)驗(yàn) 結(jié)論結(jié)論; 1CM相對不受粗糙度影響；相對不受粗糙度影響； 2CD,CL在中等在中等KC范圍內(nèi)明顯添加范圍內(nèi)明顯添加 3 傾斜柱體傾斜柱體 1977，Chakrabati 波浪中水槽實(shí)驗(yàn)波浪中水槽實(shí)驗(yàn) 結(jié)論：結(jié)論： a、CM相對不受傾角影響，相對不受傾角影響，CD隨角度添加而略增隨角度添加而略增 b、法向力是主要的，軸向力可忽略、法向力是主要的，軸向力可忽略 4 水動力系數(shù)選擇問題水動力系數(shù)選擇問題 A 目前，有關(guān)目前，有關(guān)CM,CD和和CL已有的資料，沒有一組數(shù)據(jù)能已有的資料，沒有一組數(shù)據(jù)能令人服氣的直接用于實(shí)踐工程。令人服氣的直接用于實(shí)踐工程。 1實(shí)驗(yàn)室能提供有用的數(shù)據(jù)，因

9、實(shí)踐實(shí)驗(yàn)室能提供有用的數(shù)據(jù)，因?qū)嵺`Re等與實(shí)驗(yàn)室有等與實(shí)驗(yàn)室有差別，實(shí)踐海況與實(shí)驗(yàn)室情況也有差別差別，實(shí)踐海況與實(shí)驗(yàn)室情況也有差別 2各實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)處置所采用的方法、波浪實(shí)際不同，各實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)處置所采用的方法、波浪實(shí)際不同，有些實(shí)驗(yàn)結(jié)果間有較大差別有些實(shí)驗(yàn)結(jié)果間有較大差別 將實(shí)驗(yàn)結(jié)果運(yùn)用于工程設(shè)計(jì)中應(yīng)謹(jǐn)慎，應(yīng)盡量結(jié)合海試結(jié)將實(shí)驗(yàn)結(jié)果運(yùn)用于工程設(shè)計(jì)中應(yīng)謹(jǐn)慎，應(yīng)盡量結(jié)合海試結(jié)果。果。規(guī)范建議及各種外形構(gòu)造物水動力系數(shù)規(guī)范建議及各種外形構(gòu)造物水動力系數(shù) 各種外形水動力系數(shù)日外鄉(xiāng)木工程學(xué)會MIDDfCA uC Au u 非規(guī)那么外形的構(gòu)造物水動力系數(shù) 1近似處置，簡化為外形接近的規(guī)那么物體水動力系數(shù) 2

10、數(shù)值計(jì)算 3實(shí)驗(yàn)3-4 構(gòu)造間相互作用 樁柱群中，存在相互關(guān)擾樁柱群中，存在相互關(guān)擾 串列串列垂直與波向并列垂直與波向并列 1 平行于波向陳列，前柱尾渦區(qū)受后柱反作用，后柱受前柱屏蔽作用，后柱波浪力減小，前柱波浪力添加； 2 垂直于波向陳列，由于柱間阻塞效應(yīng)，波浪力添加。 相關(guān)實(shí)驗(yàn)： 1982，Charabati將2，3，5個柱體直立于波浪水槽 結(jié)論： a、s/D2.0時，CD,CM,CL 與單柱無艱苦差別 遮蓋效應(yīng)與阻塞效應(yīng)取決于s/D, 當(dāng)s/D=4時，可忽略 我國規(guī)定 s/D4時，程度力和力矩計(jì)算公式： K為群柱系數(shù)HijijijHijijijFK FMK M3-5 自在外表影響自在外表

11、影響 用線性實(shí)際計(jì)算作用在垂直構(gòu)件上的波浪力時，經(jīng)常計(jì)算用線性實(shí)際計(jì)算作用在垂直構(gòu)件上的波浪力時，經(jīng)常計(jì)算至靜水面。以下情況需思索自在外表影響：至靜水面。以下情況需思索自在外表影響： 1動搖部分對柱體受力占重要比重時；動搖部分對柱體受力占重要比重時； 2柱體繞流，在柱前水面升高和柱體繞流，在柱前水面升高和 柱后水面下降明顯。柱后水面下降明顯。 目前常用途置方法：目前常用途置方法： A、大直徑柱體：、大直徑柱體： 壓力分布，從海底直到靜水面用線性壓力分布，從海底直到靜水面用線性 實(shí)際，自在外表動壓力為實(shí)際，自在外表動壓力為 大氣壓，柱前靜水面至自大氣壓，柱前靜水面至自 由水面線性衰減，柱后用由水面線性衰減，柱后用 線性繞射實(shí)際計(jì)算。線性繞射實(shí)際計(jì)算。 B、小直徑柱體、小直徑柱體 直接將線性波實(shí)際延伸至自在水面上。直接將線性波實(shí)際延伸至自在水面上。 自在外表上的參數(shù)，自在外表上的參數(shù)， 1用平均水面進(jìn)展外插；用平均水面進(jìn)展外插； 2用平均水面上得到的同一傾角線性延伸。用平均水面上得到的同一傾角線性延伸。 幾種線性波實(shí)際運(yùn)動學(xué)量修正方式：幾種線性波實(shí)際運(yùn)動學(xué)量修正方式： 1971，Chakrabarti速度修正速度修正 1