《浮式平臺總體性能》PPT課件

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1、浮式平臺總體性能第二章海洋環(huán)境1、規(guī)則波特征2、波浪的統(tǒng)計描述3、風4、海流5、海冰6、內(nèi)波1規(guī)則波特征1.1波浪運動非線性定解問題波浪理論按不同要素劃分原則可分為：線性的、非線性的，有旋的、無旋的、規(guī)則的、不規(guī)則的、單向的或多向的、淺水的或深水的等。我們主要關(guān)注與海洋石油平臺結(jié)構(gòu)密切相關(guān)的模型：一般遠離海岸，局部水深不變，與波長相比，水深相對較大?；炯俣黧w是均質(zhì)和不可壓縮的；流體是無粘性的理想流體；水流運動是無旋的；海底水平、不透水；流體上的質(zhì)量力僅為重力；波浪屬于平面運動，即在xz平面內(nèi)作二維運動。勢波的水質(zhì)點的水平分速u和垂直分速w可由速度勢函數(shù)導出不可壓縮流體連續(xù)方

2、程或記作勢波運動的控制方程控制方程定解條件①)在海底表面，水質(zhì)點垂直速度應為零，即z=-h②)在波面z=η處，應滿足兩個邊界條件.動力邊界條件:由假設(shè)自由水面壓力為常數(shù)并令p=0，根據(jù)伯努利方程有,非線性項自由水面運動學邊界條件為非線性項③)波場上、下兩斷面邊界條件波動定解問題(壓力場)(流速場)兩個困難1)自由水面邊界條件是非線性的；2)自由水面位移ζ在邊界上的值是未知的，即邊界條件不是確定的。要求得上述波動方程的邊值解，最簡單的方法是將邊界條件線性化（自由面邊界條件線性化），將問題化為線性問題求解，進而得到我們所說的微幅線性波理論。1.2線性微幅波理論（一階近似）波動問題線

3、性化假設(shè)波動的振幅a遠小于波長L或水深h，微幅波理論。首先由艾利1845年提出，艾利波理論。非線性項與線性項之比是小量，可略去，線性波理論。考慮平面行進波沿x正方向以波速c向前傳播，x軸位于靜水面上，z軸豎直向上為正。波浪在xz平面內(nèi)運動。計波面方程為z=ζ(x,t),則：這里的為波幅，k表示波數(shù)，表示x軸上2π范圍內(nèi)波的個數(shù)。波形傳播一個波長距離時，波浪質(zhì)點振蕩一個周期：1.2.1無限水深線性波及特征用表示相應的流體速度勢。易知速度勢與y無關(guān)。先考慮水深為無窮深的情況，的定解條件如下：無限水深入射波速度勢由線性動力學條件和平面行進波表達式，可知速度勢取如下形式：用線性動力學條

4、件，可知：再用線性運動學條件，可知：用拉普拉斯方程決定入射波速度勢表達式中的未知函數(shù)該方程通解是：由底部條件可知再根據(jù)：可知：再根據(jù)：可以獲得波數(shù)k與頻率應滿足下述關(guān)系式：故得無限水深線性入射波勢的表達勢：由色散關(guān)系可得相速度c和波長λ之間的關(guān)系：即c與成正比，波長逾長傳播速度愈大，這就是通常人們說的：長波傳得快，短波傳得慢。練習1矩形水池中流體的諧搖運動考慮部分充水的一矩形水池，水深為常數(shù)雖且等于h，池寬為2b。假設(shè)在(y,z)平面內(nèi)有流體的二維運動且水池本身不在移動。（a）證明速度勢：滿足Laplace方程和池底邊界條件(b)該速度勢在池壁上滿足邊界條件的波數(shù)k是多少？(c

5、)由自由液面條件證明，當流體可能有流動時，周期（即固有周期）僅能由下式給定：當時，推導一個近似的公式。(d)以時間函數(shù)的形式描述在自由液面處的流體運動。練習2行進水波考慮一速度勢：其中：，A為常數(shù)，假定為深水且自由液面在水平范圍內(nèi)無限擴展。(a)Laplace方程是否在流場內(nèi)處處滿足？(b)該流場勢所描述的波是沿何方向傳播的？(c)波幅在空間內(nèi)是如何變化的？波浪運動速度，加速度波以相速度傳播，但流體質(zhì)點卻以低得多的速度運動，其速度為（u,v,w），即：按線性理論求得的波峰和波谷下速度的水平分布(x軸與z軸的尺度不同)注意到當水深為波長一半處時即有：可以看出該處的流體運動往往可以

6、忽略不計，該處的流體被認為是靜止不動的。根據(jù)這一點，只要水深超過波長的一半，就可以認為水深是無窮。入射波浪場中流體質(zhì)點運動的加速度為：x方向加速度分量：z方向加速度分量：微幅波場中任一點的波浪壓力可由線性化的伯努利方程求得。線性化(壓力響應系數(shù))靜水壓力部分動水壓力部分水動壓力Kz—為壓力響應系數(shù)或壓力靈敏度系數(shù)，它是z的函數(shù)，隨著質(zhì)點位置深度增大而迅速減小。波面以下水質(zhì)點動水壓力Pd水頭高度幅值為，其數(shù)值正比于波面瞬時波面位移η(x,t)，當自由面波面位移高于靜水面時，動力壓力為正（Pd>0）,反之亦然。沿x軸正向傳播的正弦長峰波的波面升高，壓力，速度和加速度按線性理論求得的

7、波峰和波谷下的壓力變化靜止時位于處的水質(zhì)點，在波動中以速度運動著，在任一瞬間水質(zhì)點的位置在ξ與ζ是水質(zhì)點遷移量(質(zhì)點離開靜止位置的水平和垂直距離).處速度微幅波假定:處速度等于水質(zhì)點軌跡方程將微幅波速度u,w帶入以上兩個積分式，可得流體質(zhì)點軌跡：將流體質(zhì)點軌跡表示成：可以推算出x(t=0),z(t=0)表達如下水質(zhì)點的遷移量ab水質(zhì)點運動軌跡方程為任意時刻水質(zhì)點的位置在深水情況下，a=b=，水質(zhì)點運動軌跡為為一個圓，在水面處軌跡半徑為波浪振幅，隨著質(zhì)點距水面深度增大，軌跡圓的半徑以指數(shù)函數(shù)形