浮式平臺總體性能

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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。我們主要關注與海洋石油平臺結構密切相關的模型：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；流體上的質量力僅為重力；波浪屬于平面運動，即在xz平面內作二維運動。勢波的水

2、質點的水平分速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:由假設自由水面壓力為常數(shù)并令p=0，根據伯努利方程有,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

3、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）波動問題線性化假設波動的振幅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?？紤]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范圍內波的個數(shù)。波形傳播一個波長距離時，波浪質點振蕩一個周期：1.2.1無限水

4、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。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：可知：再根據：可以獲得波數(shù)k與頻率應滿足下述關系式：故得無限水深線性入射波勢的表達勢：由色散關系可得相速度c和波長λ之間的關系：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。

5、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。假設在(y,z)平面內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)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無限擴展。(a)Laplace方程

6、是否在流場內處處滿足？(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忽略不計，該處的流體被認為是靜止不動的。根據這一點，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

7、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)，隨著質點位置深度增大而迅速減小。波面以下水質點動水壓力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波峰和波谷下的壓力變化靜止時位于處的水質點，在波動中以速度運動著，在任一瞬間水質點的位置在ξ與ζ是水質點遷移量(質點離開靜止位置的水平和

8、垂直距離).處速度微幅波假定:處速度等于水質點軌跡方程將微幅波速度u,w帶入以上兩個積分式，可得流體質點軌跡：將流體質點軌跡表示成：可以推算出x(t=0),z(t=0)表達如下水質點的遷移量ab水質點運動軌跡方程為任意時刻水質點的位置在深水情況下，a=b=，水質點運動軌跡為為一個圓，在水面處軌跡半徑為波浪振幅，隨著質點距水面深度增大，軌跡圓的半徑以指數(shù)函數(shù)形