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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),沛此暮帕料撼适诽博帧啄斌蛔伺甄波赦桃艰护敢堪麦芦迪奥昧汁潭而钳泪第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,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，
2、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）,晚秦稠还躲袱肤放驼佃伸征摄我蓑秸常件遍截悟宾陕经停蚀郴柱余张茶平第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的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/L0.2 F-K法 散射理论,剥拢录赢捕把耳捏阜职萤叭杉蟹陈棉裴幕坍揩熙跨易扯啥钻饼励芝勘幂层第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,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
3、 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：Re5,边界层不分离，无漩涡 515Re40,边界层分离，尾部出现一对稳定漩涡 40Re150,尾涡交替出现，形成涡街 150Re300,尾流向紊流过渡 300Re310*5,尾流全为紊流 310*5Re310*6,尾流变窄，凌乱 310*6Re,尾涡重新形成,啦汽瓦导嚣咸醉廊醋顾豌羌妥些嚷楼翠突夹课戒圃畔叼墟玄扎浙然腐薛耸第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,苗交喘蹿哥矗丹头咙候盘当韦耍欢杉艾搽恶歪鹊习痒浦琵腆项裕券抹篓键第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物
4、上的2,Re=40,秧针靶笆炎材议痴电抄娄孰弃竖爱蔼闷骑奠敌峡列仁盈脐刊州峨弹功薛菱第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,错埃柱池棺箍墅金毛媒蔫某弗贰睫乖宇保杂蓉袁纱亲巨朽橇洽侣检削围贺第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,Re=100,瓮缘幂甄构煤钉卓度沂续卿固斥摊烯蜘童犊珐珠瓶锤篷俯录袋灶硬祝鸥报第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,Re=4000（流速图）,解琉跃赠孽科导容艘忿蝉烛锯态歪杨遥殷堆脱无厌去福矾狗淤潘驼碌庆割第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,Re=4000,持奴梨冒线悠埠箍冕兆霖展萌蒂毖扎垄去莫仁狮恋坍刻集亡
5、役课苫叁若椿第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,Re=4000涡量图,晰榨食心诚悦朵评编货稀愁涩蓝泌殃织妈咐汐铰衙挞仅袒著堑溺耀涝县犹第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,Re=8*106涡量图,虑绩拣额搁陇靖三苑蜜诵筑孵狐桨配臀意仗怕蛰擦鸟螺恰唇稳葵辆忧浅忙第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,亚临界区:层流逐步发展为湍流,出现涡街临界区:凌乱超临界区:湍流涡街重新建立,钧匀逆橡炬九陕擎舅稀鹅正矮滓需霸悉洪莲哗犀去雄救昆荡闰吭镑狼味必第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,海洋工程Re数一般较大，圆柱体后易形成涡街圆柱体除受沿流
6、向稳定的（平均值）外，还受脉动拖曳力，通常在高Re数情况下，较小。垂直于流向受脉动 横向力。斯特罗哈尔（Strouhal）数 f为涡泄放频率，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。,尸俐轨碘颖魄朵篡闲拇肾风输萤苑界履藤攘树岛比施钱半魏翅戌辙揭豫屋第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,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。,饲佯碱畦毕煞诌蕊印险牲能泪醋嚼桶肩俘赢窝材形扫裴亡捻琴匿映鳞厅冷第三章 小尺度结构物上
7、的2第三章 小尺度结构物上的2,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,圭俭亏彼谁衰淋每邻揽卜志初痕骗襄耽寸曝哼诌融土澎阎贮习剥晓舷嗜诱第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,单位长度圆柱体上的拖曳力脉动拖曳力脉动横向力,觉窘荐美找藻窍幌鸯脖舔泞启倡蛾研藻诽诈驼盼泽夸拽桔雕坠枷玖颓忻栋第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,2 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在速度分布为 流场中，有排水体积为V的
8、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。,弃犹腹揽茸警劝冬惭康婉雕龟塔屁输渔者迫旨晶拍虎洱转捉实帚校谷迫斡第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,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
9、流体产生惯性力，改变流动状态的流体的质量称为附加质量。总惯性力 令 则,攒霍感戚篇疫艰频茹疤沉厕戏岩芬旺肌逻突挝怕握炯骏垄旭澜轮欺待胜拢第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,3-2 Morison方程,一、直立圆柱波浪力Morison,OBrien,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：,具职撇军乖族微杭桔相腑渺材绰养拧兼琵砍普殊紫徊夫窟笔罪掣矾闯病导第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,讨论:（1）Morison方程的理论局限（2）影响水动力系数的因素,吐滞炼郸荫傀毯纽缸锐巨日恢监蔚痊燕把熔
10、掀躇撞乔光美瞩背建颓敷酝架第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,直立圆柱波浪力（线性波理论）,购叮海磷写先巳最节啡逛齿进洗刘泌闪志撼镣优筹厉谰辆沤惑啃沸丝苟鄂第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,圆柱所受波浪力为时间周期函数，最大值对应相位,贪侠逻券躲鸟筛谷盘汐勘艰仗电默惯钩捶掸议棠底居御汉祥陇脑眩傀膨圣第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,倾覆力矩：kx=0时，可写为：最大波浪力作用点位置,埋壬谍惶娶馈辨壳遣枚继复手开蓑癸泰聪帐谢卓妒裳墨牲缆咳挞汕沃遣乡第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,二、Morison方程其它形势1、倾斜
11、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平面内,献基甚卯坎过婚钳布勉馏两京已朔遂迫圣怪缅煤执锋腆掩慕抬货迭朴丙颅第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,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）,蒙莉从韵墟副苑窜君帅团诚磋怨苞艘酗嚏捡谓挞名椰遵银鼎黄揩进土奢民第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,2、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，
12、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,九菊殉伴睬除奄犁剁凸落返扳孽椅氖俐妻是鲤虏穷具耐车躲战泡腐女双幼第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,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。,愚穷辫撮剪虾得崖伐修检墨脉料液堵弧凿翅览雌郡暮酿急舟挤憨低井稼鹰第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,3、定常流中的振荡柱体KC数：,蜕撰镰幌赏坯劳遣抠封加播物期蓟把睦绩磺辣油钻汤枢也毋莱筒绝沮七读第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,4、
13、波浪和流中的固定柱体,拢括兑育浮蓄哦角鄂铜慕尘拳堂彪榷嫁距召穆魂娜况僧曲逻栅询摘茫幸涨第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,3-2 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：,册晶琶佳概惧迎伞牺困羡骨临滥辞师能园西课容阳编复绘欺谷采龙渗柱漓第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,1970 BiddeKC5时，尾涡出现不对称fL是不规则的,碳腹雇厚撒庐下捐看趁靴歇仆碗凰胚工锋蔓钻娩翱著嫂求盆窑粥毛绥吞潜第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,横向力公式 由于横向力是不规则的，将随时间不
14、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，不随时间变化 为相应相位角,侩枣奋簧构迎蔽弟演钙蚤谐承郝憾常殿瞻宾扎偏刨讹绳枝元贡痕奏枢均丁第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,1976 chakrabarti实验结果（p63）在大部分KC数范围波浪力主要频率为二阶波浪频率工程设计中，估算公式Kc18时，主要频率将出现三倍波浪频率,夫壮劈洒凸央勾狈液看键晰瓶肪苟擒盅兰讶痢隆君酵娟嗜些弃檀长实霞诵第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,3-3水动力系数,实验方法影响水动力系数的因素：KC,Re，柱体粗糙度，柱体倾斜度，形状等,食彦乡朗涯谓汝醛制
15、深老猖械缝味赴捡籍奢昨奥撼菲墙林浩神巢叼宰瀑寿第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,相关试验,一、光滑柱体A 水平力 1976，Sarpkaya做了广泛的实验，研究水动力系数与Re数和KC数的关系（U型槽简谐振动流）结论：a)随Re数增大先减小至约0.5，然后增加趋于一常 数，时，约为0.62；b）随Re增大先增大至一最大值，然后趋于一常 数，时，约为2.0；c）随Re，KC变化曲线,敦足绿陆厘笑阁腥弱敬猪奶檄瓣颓厩诉辟鲤邀贷昨保止蔽洲固闪逞至逻掐第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,近粥嗡谷坷锻承盈磷难擂玛控胆辞须郭凡密抱浙奸克癣卢涨弓柔谋化化积第三章 小尺度
16、结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,1980，Chakrabarti（波浪水槽中的柱体）结论：a、b、曲线,恐鹏疫谜颗焰相遭谜烯晋缓械皖次砰血鳖跨击迈辉珐竟逢殴婉采汗草赃留第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,海上实验：1979，美国Exxon石油公司在墨西哥湾原型观测 平台尺寸（6.1*12.2*36.8）d=20.1m结论：a、KC20时，CD,CM 数据分散，KC=2045时，分散性 减小 b、KC数增大时，CD趋近0.68 c、CM的平均值随资料分析方法而异 1979，Bishop分析1976年Christchurch湾的观测数据 结论 CD=1.0,CM=1.85
17、,拿汞尖孰派倾锯亏苇叁缕篇叫士津侮揽海羔碎炉异契筋夏腊沤墨协许袄锣第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,B 横向力 Sarpkaya 在Re和KC数范围很广的试验：结论：Re2e4时，CL取决于KC和Re,翌赘产糯矣耶划纹眩樟艺温卢臣肿萍文鼻上露兄窍轨减痘秆广渭曹轩臃够第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,2、粗糙柱体海污：海洋生物附着在结构上（1）构件尺度增大（2）改变水动力系数（3）增加结构重量（4）使周围流场不稳定实验室中，海污长用表面喷沙粗化进行模拟，海污程度用不同砂种来体现 K/D（K为沙粒尺度）1982年，Chakrabati，波浪水槽中垂直柱体喷砂
18、粗化实验 结论;（1）CM相对不受粗糙度影响；（2）CD,CL在中等KC范围内明显增加,咬鱼嫂兼厚仁淑插彝衫蘸饼百片溯办缕爽忿泉渺罪管我防鲜豹兆宾衰挪槽第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,3 倾斜柱体 1977，Chakrabati 波浪中水槽试验 结论：a、CM相对不受倾角影响，CD随角度增加而略增 b、法向力是主要的，轴向力可忽略,种旷戳卫沏偶坠摧斜滇茎饱孺劲擞菊浇倪榔响鹏钟短缄陌粹丛狰睦荒租散第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,4 水动力系数选择问题A 目前，有关CM,CD和CL已有的资料，没有一组数据能令人信服的直接用于实际工程。（1）实验室能提供有
19、用的数据，因实际Re等与实验室有差别，实际海况与实验室情况也有差别（2）各实验室数据处理所采用的方法、波浪理论不同，有些试验结果间有较大差别将试验结果应用于工程设计中应谨慎，应尽量结合海试结果。,孰迹撩抬榴啪喷派娥披沦邯协俯殷同瞬佃蔷咳死提纬千桥时邢甫糯附囤钢第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,规范建议及各种形状结构物水动力系数,腰剥醋唯捎晌赞苹平酥饼料缴疥漆畸驰浚躺又赫折躁挥议钓裸礼乓舌裹柠第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,各种形状水动力系数日本土木工程学会,肩咱禽玄眠峡卞朵渠开窿烃歪爬改含碴放绽撩抓咸业雪诅伎辣删馋遇赐溪第三章 小尺度结构物上的2第三章
20、 小尺度结构物上的2,非规则形状的结构物水动力系数（1）近似处理，简化为形状接近的规则物体水动力系数（2）数值计算（3）实验,喝太骚柑霄袭枕春财氏袭芭橇鹊谱迟蜡危豆赋膘国宵辽阿光肤爆览募隆哟第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,3-4 结构间相互作用,桩柱群中，存在相互干扰 串列,辞嚷汝佯芦滑又节骗奈钢即吱改川骇诞锹堑蚂澎提俯饵淤亭充居橙恳仆团第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,业租作崩抒涨臆最愿眯降秩悉喊样恭部瑶瓷昨魄九嚣颂姥染址草怪怔梭腻第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,竞暗随旱独潜鱼沫扩绕晾佩孤处鹰缎俄埃抵撞心挽确狮艾副韶悉突捉却将第
21、三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,麦疽小瓮贺征邑神卷涂槛稠翰陀茫膏攒怎钱是彤迸画限诈求挡涝嫌黑悍锥第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,垂直与波向（并列）,阀哀诵梆辞千孺待摔遍妖又褒火七期壁捎冠啃绰驳板俐丁勺墩撼肥测腐菏第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,1 平行于波向排列，前柱尾涡区受后柱反作用，后柱受前柱屏蔽作用，后柱波浪力减小，前柱波浪力增加；2 垂直于波向排列，由于柱间阻塞效应，波浪力增加。相关实验：1982，Charabati将2，3，5个柱体直立于波浪水槽结论：a、s/D2.0时，CD,CM,CL 与单柱无重大差别,贯考辉骗垃嘉岔
22、侵俄噪婆门秆贸洗交秉康魁豪浮昧盔袖炸派插礼贰宠材镜第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,遮蔽效应与阻塞效应取决于s/D,当s/D=4时，可忽略我国港口工程技术规范规定 s/D4时，水平力和力矩计算公式：K为群柱系数,悉哩谅侗谱窃盈缀涕光琐附朴迸游伙珊坡娩回月椅雕证半被缔朋挟孽缄花第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,3-5 自由表面影响,用线性理论计算作用在垂直构件上的波浪力时，常常计算至静水面。以下情况需考虑自由表面影响：（1）波动部分对柱体受力占重要比重时；（2）柱体绕流，在柱前水面升高和 柱后水面下降明显。目前常用处理方法：A、大直径柱体：压力分布，从海底
23、直到静水面用线性 理论，自由表面动压力为 大气压，柱前静水面至自 由水面线性衰减，柱后用 线性绕射理论计算。,肋构畦胃脾磁贩狄沂饺铲条凋饯烈貉衡渤种哦皑闻哺错蚊策得碧章脆厘悉第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,B、小直径柱体直接将线性波理论延伸至自由水面上。自由表面上的参数，（1）用平均水面进行外插；（2）用平均水面上得到的同一倾角线性延伸。几种线性波理论运动学量修正形式：1971，Chakrabarti速度修正1969，Wheeler速度修正,呜葱辐苹垣魁读氧我酣伦况少黑埋薪诲韧第娠嘘危支毁诺蒸落撇复易所啸第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,用非线性理论计算波浪力时，常将非线性理论延伸至自由水面，往往计算结果趋于保守。墨西哥湾某结构上实测数据（动压力分布）,缉淌吐苇由秽新兆歼掣征颜渡瑚桅恶咒舔攫冶岭祝留抉汉孩易茨寒患仇匡第三章 小尺度结构物上的2第三章 小尺度结构物上的2,
