波浪力学第四章 小尺度结构物上的波浪力
波浪力的计算
波浪力的计算需要两方面理论的支持：波浪运动理论及波浪荷载计算理论。
前者研究波浪的运动，后者在已知波浪运动的前提下计算波浪对水中物体的作用。
几种常用的波浪普： 1.P-M谱Pierson 和Moskowitz适用于无限风速发在的波浪普。
国际船模水池会议（ITTC）推荐采用这一形式的波，故也称为ITTC波谱。
JONSWAP（Joint north sea wave project）.是一种频谱。
3.应力范围的长期分布模型：1.离散型模型，2.分段连续型模型，3.连续模型。
1. 离散模型:用Hs作为波高，Tz为波浪周期，定义一个余弦波。
然后用规则波理论计算作用在结构上的波浪力。
并用准静定的方法计算结构呢I的应力。
缺陷：没有将波浪作为一个随机过程来处理。
每一海况的应力范围只有一个确的数值。
因此又称为确定性模型。
2.分段连续型模型每一短期海况中，交变应力过程是一个均值为0的平稳正态过程。
综合所有海况中应力范围的短期分布，并得出各个海况出现的疲劳，就得到应力范围的长期分布，它的形式是分段连续的。
应力范围的两种短期分布模型：1.Rayleigh分布和Rice分布。
在某一海况中交变应力均值为。
应力峰值服从Rayleigh分布。
通过计算得出应力范围也服从Rayleigh分布。
3.在船舶及海洋工程结构疲劳可靠性分析中，希望应力范围的长期分布能用一个连续的分布函数来描述。
这就是应力范围长期分布的连续模型.最常用的就是Weibull分布。
4.有义波高：（significant wave height）所有波浪中波高最大的三分之一波浪的平均高度。
用Hs表示。
5.Stokes五阶波给出了波陡的量度（H/L）H/L越大，波就越陡。
当波高与波长的比值大到一定程度时，波会破碎。
6.波速=波长与频率的乘积C=λ/T或者C=λf,其中f是频率。
或者T=2π/ω7.圆频率1.圆频率即2π秒内振动的次数，又叫角频率，和角速度的ω没有任何关系。
《海洋工程波浪力学》课程教学大纲
本科生课程大纲课程属性：公共基础/通识教育/学科基础/专业知识/工作技能，课程性质：必修、选修一、课程介绍1.课程描述海洋工程波浪力学，是研究波浪及波浪对海洋工程结构物的作用力的分析和计算方法的一门科学。
本课程针对船舶与海洋工程专业三年级学生进行开设，主要学习线性波浪理论、非线性波浪理论、随机波浪理论以及波浪的作用力计算等。
通过课程学习，要求学生掌握线性波浪理论及小尺度结构物波浪力的计算方法，能够利用这些理论及方法对实际问题进行建模、分析和求解，进而提升对波浪力学的理解。
2.设计思路本课程以波浪理论和波浪力计算为主线，结合工程实际问题进行多媒体授课，为海洋平台结构等课程设计提供基础训练。
课程内容主要包括三个模块：确定性波浪理论、随机波浪理论、波浪力计算，这三方面密切联系、前后呼应。
确定性波浪理论部分主要包括线性波浪理论和非线性波浪理论，其中线性波浪理论是学习基础，要求全面重点掌握深水波、有限水深和浅水波浪的基本特性，在此基础上，了解常见的非线性波浪理论的特性，进而掌握波浪理论的适用范围。
随机波浪理论主要从随机过程角度描述波浪的特性，重点掌握随机波的时域特性- 1 -和频域特性，从而为海洋工程结构动力分析提供基础。
波浪力的计算部分主要包括小尺度和大尺度结构波浪力计算。
要求全面掌握小尺度结构物波浪力计算方法（莫里森公式），在此基础上，理解大尺度波浪力计算的基本原理。
3. 课程与其他课程的关系先修课程：理论力学、流体力学。
本课程是工科力学类课程的重要组成部分，是海洋工程类专业流体类课程群的重要组成部分，与流体力学、海洋工程环境等课程构成了船舶与海洋工程专业工程环境课程群。
二、课程目标本课程的任务是通过各种教学环节，使学生掌握波浪的基本知识、原理和波浪对海洋工程结构物作用力的计算方法，最终使学生对海洋工程中的波浪力学问题有一定的了解，以助于从事海洋工程的规划、设计、建造和研究工作。
（1）了解非线性波浪理论、波浪的传播与变形以及大尺度结构物波浪力的计算；（2）掌握线性波浪力学、小尺度结构波浪力的计算以及随机波浪理论相关知识；（3）培养学生运用波浪理论和波浪力计算方法进行一些基本计算的能力，为课程设计、毕业设计及科学研究提供基础。
波浪力学第三章_有限振幅波理论
•Stokes波是用有限个简单的频率成比例的余弦波来逼近具有单一周期的规则的有限振幅波。
{3.1.1 STOKES 波理论的分析方法
尽管假定每一个Φn 都满足自由表面条件，但处理其平方及乘积非
线性项仍是一个困难问题。
自由表面总是在静水面附近。
将Φ在自由表面z=η处用Taylor级数展开为
将上式代入自由表面边界条件,可得
η
ηϕηηϕ
==∂∂∂∂+∂∂=∂∂z z x x t z 0)(21=η+ϕ∇⋅ϕ∇+∂ϕ∂η
=η=g t z z
)
(2cos )cos(21t kx a t kx a ωωη−+−=
{3.1.2 STOKES 二阶波
三、水质点的运动轨迹
净位移
波生流
kd
d z k c k H kd
d z k c L H U 2022202
2sinh )(2cosh 8sinh )(2cosh 21+=+⎟⎠⎞⎜⎝⎛=π
波剖面：公式（3.98）
c
H
d
c
H
d
3.4 几种波浪理论的适用范围 纵、横坐标
破碎界限
深水、极浅水界限
椭圆余弦波、
Stokes波界限。
波浪理论以及工程应用05资料
3 作 用 在 小 尺 度 构 件 上 的 波 浪 力
Tanaka等人(1983)和Bearman(1984)等人给出光滑固 定正方形柱体的水动力系数。正方形柱体棱边向着振 荡流，CM和CD是KC数的函数。从中可看出CM比圆形 柱体相应值大。
3 作 用 在 小 尺 度 构 件 上 的 波 浪 力
波浪理论及工程应用
船舶工程学院 钱昆
海洋结构物与波浪的相互作用
运动
波浪
周期性 水质点运动
结 构 主 体
弯矩
断裂 疲劳 振动
3 作用在结构上的波浪力
根据结构物的特征尺度，可以分为小尺度构件和大尺度结构 两种不同类型。其划分标准为：
D L 0.2 为小尺度构件 入射问题；
D L 0.2 为大尺度构件 辐射问题。
阻力为主要成分
中间流
惯性力与阻力为成分相当
3 作 用 在 小 尺 度 构 件 上 的 波 浪 力
Sapkaya(1977)振荡流试验的结果。
3 作 用 在 小 尺 度 构 件 上 的 波 浪 力
3 作 用 在 小 尺 度 构 件 上 的 波 浪 力
Sapkaya(1977)用粗糙圆柱体水平放置在U形 管内，作振荡流试验的结果。
3 作用在结构物上的波浪荷载
1 均匀流诱导荷载
物理模型：圆柱(桩柱)：直径D，一端垂直刚性固定在海底， 另一端露出水面；
水域：刚性海底平行静止表面，水深 d, 均匀流速 Vx. 坐标系：xoz: ox 在静止水面，沿流方向； oz 垂直静止水面向上。 求解问题：
水流作用在单位长度竖直圆柱上的水平力和横向力？
3 作 用 在 小 尺 度 构 件 上 的 波 浪 力
立柱上的总波浪诱导载荷
海洋工程中的波浪力学与海洋工程结构设计
海洋工程中的波浪力学与海洋工程结构设计引言海洋工程是指在海洋中进行各种工程活动的学科领域，其中波浪力学是海洋工程中的重要一环。
波浪力学研究的是波浪的形成、传播和相互作用等现象，对于海洋工程结构的设计与运营具有重要意义。
本文将从波浪力学的基本原理出发，探讨其在海洋工程结构设计中的应用。
波浪力学的基本原理波浪是由于海水受到风力或其他作用力的影响而引起的涌动现象。
波浪力学研究的核心问题是描述波浪的传播和变形过程，其中包括波长、波速、波高、波浪的周期等参数的计算与分析。
根据波浪传播的特性，我们可以将波浪分为线性波浪和非线性波浪。
在海洋工程中，波浪力学的研究主要关注以下几个方面：1. 确定设计波浪。
设计波浪是指根据海洋工程的具体需求，确定适应该工程的波浪参数，如波高、波长和波速等。
这些参数的选择将直接影响到工程结构的稳定性和承载能力。
波浪力学的研究可以通过采集波浪数据和对观测数据进行分析，确定适当的设计波浪参数。
2. 分析波浪与结构相互作用。
在海洋工程中，结构与波浪之间的相互作用是一个复杂而关键的问题。
波浪的冲击力和结构的响应将直接影响到工程的安全性和稳定性。
因此，研究波浪与结构相互作用的力学过程，对于合理设计和优化海洋工程结构具有重要意义。
3. 研究波浪抑制和适应性设计。
某些特殊的海洋工程需要通过合理的设计来减小波浪对结构的影响，或者通过适应性设计来使结构能够适应波浪的作用。
这种适应性设计可能涉及到材料、结构形式以及波浪的传播路径等多个方面。
通过研究波浪力学，可以提供理论依据和技术支持，为波浪抑制和适应性设计提供有效的方案。
海洋工程结构设计中的波浪力学应用在海洋工程结构设计中，波浪力学的应用通常包括以下几个方面：1. 结构的防波设计。
一些海洋工程结构如港口防波堤、海洋平台等需要在设计过程中考虑波浪力学因素。
通过研究波浪的传播规律和结构的抗波能力，可以确定结构的尺寸、形状和材料等，以确保其在波浪环境下的稳定性和安全性。
波浪力计算公式
波浪力计算公式引言：波浪力是指波浪对于物体施加的力量，它是海洋工程中一个重要的参数。
通过对波浪力进行准确的计算，可以帮助我们设计和构建海洋结构物，预测其受力情况，从而确保结构的安全性和稳定性。
本文将介绍波浪力的计算公式及其应用。
一、波浪力的定义波浪力是波浪作用在物体上的力量，它的大小与波浪的高度、周期、波浪传播方向以及物体的形状和尺寸等因素有关。
波浪力的计算是海洋工程中的一个重要问题，也是一项挑战性的任务。
二、波浪力的计算公式波浪力的计算公式可以用以下公式表示：F = 0.5 * ρ * g * H^2 * L其中，F为波浪力，ρ为水的密度，g为重力加速度，H为波浪高度，L为波长。
三、波浪力的应用波浪力的计算在海洋工程中有着广泛的应用。
例如，在设计海洋平台、堤坝、海底管道等结构物时，需要考虑波浪对这些结构物施加的力量。
通过使用波浪力计算公式，可以预测结构物在不同波浪条件下的受力情况，从而指导工程设计和施工过程。
在海洋工程中，波浪力的计算还可以用于预测海洋结构物的疲劳寿命。
由于波浪力是结构物受力的主要因素之一，通过对波浪力进行准确的计算，可以评估结构物的疲劳损伤程度，为结构物的维护和修复提供依据。
波浪力的计算还可以应用于海洋能利用领域。
波浪能和潮汐能是海洋能资源中的两个重要组成部分。
通过准确计算波浪力，可以评估波浪能装置的性能和效益，为海洋能的开发和利用提供科学依据。
四、波浪力计算的挑战和改进尽管波浪力的计算公式已经相对成熟，但在实际应用中仍然存在一些挑战。
例如，波浪力的计算需要准确测量波浪的高度、周期和波长等参数，这对于海洋工程来说是一项技术难题。
另外，波浪力的计算还需要考虑波浪与结构物之间的相互作用，这也增加了计算的复杂性。
为了解决这些问题，研究人员正在不断改进波浪力的计算方法。
一方面，他们致力于改进波浪参数的测量技术，例如利用遥感技术和数值模拟方法来获取更准确的波浪参数。
另一方面，他们还在研究波浪与结构物之间的相互作用机理，以提高波浪力计算的准确性。
海洋工程中的波浪力学分析与抗浪设计
海洋工程中的波浪力学分析与抗浪设计概述海洋工程是一门复杂而多样性的学科，涉及到从港口和码头建设到海上风力发电等方面的各种工程。
而波浪力学分析与抗浪设计是海洋工程中不可或缺的一部分。
本文将探讨波浪力学分析的基本原理以及如何将这些原理应用于抗浪设计中。
波浪力学分析波浪是海洋中最基本的运动形式之一。
波浪的形成与传播是由风力、地球自转和地形等因素共同作用的结果。
在海洋工程中，我们需要对波浪的特性进行深入研究，以便更好地理解波浪对结构物和设备的影响。
为了分析波浪力学，我们需要测量波浪的高度、周期和传播速度等参数。
通过使用声纳、拉普拉斯变换等技术，我们可以获取这些数据，并进一步研究波浪的频谱特性和波浪的传播规律。
波浪对结构物的影响在海洋工程中，结构物必须能够抵御海浪冲击的力量。
波浪的冲击力会给结构物带来巨大的挑战，因此抗浪设计是非常重要的。
在进行抗浪设计时，我们需要考虑以下几个方面：1. 结构物的抗浪荷载：根据波浪的特性和由此产生的动力学效应，我们可以计算出结构物所受到的波浪荷载。
这将有助于我们确定结构物的抗浪设计参数。
2. 结构物的几何形状：结构物的几何形状对其抗浪性能具有重要影响。
例如，较圆润的形状可以减少波浪的冲击力，从而提高结构物的稳定性。
3. 结构材料的选择：在进行抗浪设计时，我们需要选择合适的结构材料以满足结构物所需的强度和稳定性要求。
例如，高强度钢材可以有效地抵御波浪冲击。
抗浪设计技术为了提高结构物的抗浪能力，工程师们采用了多种抗浪设计技术。
以下是一些常见的抗浪设计技术：1. 防波堤：防波堤是一种建在海岸线上的结构物，用于减轻波浪的冲击力。
通过合理设计防波堤的高度和倾斜角度，可以有效地降低波浪的能量，保护周边地区免受波浪侵蚀。
2. 护岸工程：护岸工程是一种保护岸边地区的结构物，用于减轻波浪的冲击力，并保护沿岸建筑物免受波浪侵蚀。
护岸工程可以采用不同的形式，包括消波块、装船码头等。
3. 海底管道：海底管道是一种建设在水下的管道，用于输送油气、水等。
波浪力学第四章 小尺度结构物上的波浪力
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海洋工程波浪力学
王树青
第四章 小尺度结构上的波浪力
{ 4.1 绕流力
{ 4.2 作用在直立柱体上的波浪力
z 4.2.1 Morison方程 z 4.2.2 单柱体上的波浪力 z 4.2.3 单柱体上的横向力 z 4.2.4 群柱上的波浪力 z 4.2.5 拖曳力系数、惯性力系数
{ 4.3 作用在倾斜柱体上的波浪力
圆柱体，A＝1xD，D是圆柱体的直径; CD—拖曳力系数，它集中反映了流体的粘滞性而引起 的粘滞效应，与雷诺数Re和柱面粗糙度δ有关系。
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第四章 小尺度结构物上的波浪力
{ 4.1.2 绕流横向力
Re < 5
5 ≤ Re < 40
4.1 绕流力
150 ≤ Re < 300
=
1 2
C L ρDv 0 2
cos(2πft )
f D′
=
1 2
CD′ ρDv02
cos(4πft )
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第四章 小尺度结构物上的波浪力
{ 4.1.2 绕流横向力
4.1 绕流力
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圆柱体的Strouhal数S和雷诺数Re的关系
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第四章 小尺度结构物上的波浪力
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简介
波浪力的计算按照其尺度大小的不同： (2) 而随着结构物尺度相对于波长比值的增大，例如平 台的大型基础沉垫、大型石油贮罐等，此类尺度较大的 结构物本身的存在对波浪运动有显著影响，对入射波浪 的绕射效应以及自由表面效应必须考虑。此时要采用绕 射理论(MacCamy和Fucks)计算波浪力；
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{ 4.4 作用在海底管道上的波浪力
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简介
波浪对固定海洋结构物的作用主要是以下四种效应： •(1)由于流体的粘滞性而引起的粘滞效应； •(2)由于流体的惯性以及结构物的存在，使结构物周围 的波动场的速度发生改变而引起的附加质量效应；
x
d z
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o
x
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第四章 小尺度结构物上的波浪力
4.2 作用在直立柱体上的波浪力
{ 4.2.2 单柱体上的波浪力
圆柱体任意高度z处、柱高dz上的水平波浪力:
dFH
=
fH dz
=
1 2
CDρDu
x
ux
dz
+
CM
ρ
πD 4
2
∂ux ∂t
dz
z c
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d
fH
dz
z
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第四章 小尺度结构物上的波浪力
4.2 作用在直立柱体上的波浪力
{ 4.2.1 Morison方程
莫里森等认为作用于柱体任意高度z处的水平波浪力fH包 括两个分量: 水平拖曳力fD
——波浪水质点的水平速度ux引起的对柱体的作用力；
大小与单向定常水流作用在柱体上的拖曳力模式相同，即与波浪水 质点的水平速度的平方和单位柱高垂直于波向的投z 影面积成正比。
=
1 2
C L ρDv 0 2
cos(2πft )
f D′
=
1 2
CD′ ρDv02
cos(4πft )
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第四章 小尺度结构物上的波浪力
{ 4.1.2 绕流横向力
4.1 绕流力
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圆柱体的Strouhal数S和雷诺数Re的关系
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第四章 小尺度结构物上的波浪力
圆柱体，A＝1xD，D是圆柱体的直径; CD—拖曳力系数，它集中反映了流体的粘滞性而引起 的粘滞效应，与雷诺数Re和柱面粗糙度δ有关系。
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第四章 小尺度结构物上的波浪力
{ 4.1.2 绕流横向力
Re < 5
5 ≤ Re < 40
4.1 绕流力
150 ≤ Re < 300
——水质点运动的水平加速度引起的对柱体的作用力；
fI
= ρV0
dux dt
+ CmρV0
dux dt
z
c
=
CM ρV0
dux dt
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d
fH
dz
z
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o
x
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4.2 作用在直立柱体上的波浪力
{ 4.2.1 Morison方程
作用于柱体任意高度z处的水平波浪力:
• 再讨论非定常振荡水流对圆柱体的作用力。
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4.1 绕流力
{ 4.1.1 绕流拖曳力
定义：当定常均匀水流以速度v。绕过圆柱体时，沿流 动方向作用在圆柱体的力称为绕流拖曳力。
组成：绕流拖曳力一般是由摩擦拖曳力和压差拖曳力两 部分组成。
dz z2
z
z1
o
x
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4.2 作用在直立柱体上的波浪力
{ 4.2.2 单柱体上的波浪力
整个柱体上的水平波力矩:
d +η
∫ M H = 0 zfH dz
∫ ∫ =
d +η 0
1 2
CDρDux
ux
zdz
+
d 0
+η
CM
ρ
πD 4
2
∂ux ∂t
zdz
z
c
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d
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中国海洋大学工程学院海洋工程系 王树青
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பைடு நூலகம்
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目录
{ 第一章 液体表面波基本方程 { 第二章 小振幅波（线性波）理论 { 第三章 有限振幅波（非线性波）理论 { 第四章 小尺度结构上的波浪力 { 第五章 大尺度结构上的波浪力 { 第六章 随机波浪和随机波浪力
{ 4.1.1 绕流拖曳力
4.1 绕流力
压差拖曳力
压差拖曳力是由于边界层在圆柱体表面某点处分离， 在圆柱体后部形成很强的漩涡尾流，使得柱体后部的压 强大大低于前部的压强，就形成了柱体前后部的压力差 ,它在流动方向产生了一个力。
流体作用在柱体表面各点的法向压应力在流动方向上 的投影总和为作用在圆柱体上的压差拖曳力。
fH = fD + fI
=
1 2
CDρAu
x
ux
+ ρV0
dux dt
+ CmρV0
dux dt
=
1 2
CDρAu
x
u
x
+ CM ρV0
dux dt
z
c
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d
fH
dz
z
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o
x
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第四章 小尺度结构物上的波浪力
4.2 作用在直立柱体上的波浪力
{ 4.2.1 Morison方程
4.1 绕流力
{ 4.1.3 绕流惯性力
在非定常绕流运动中，绕流流体对圆柱体的作用除了 拖曳力外还有流体加速度引起的惯性力。
假设流体理想不可压缩，在流场中，有一排水体积为V0 的柱体固定于其中。
若暂时不考虑柱体对流场的影响，也就是假设流场内的 压强不因为柱体的存在而改变，那么可以假象为:柱体的 边界作为加速流体边界的一部分，即被柱体置换的那部分 体积内的水体，它本来应该以一个与流场中该处相应的加 速度做加速运动，但实际上由于柱体的存在，这个体积的 水体将被减速至静止不动。因此加速的流体将对排水体积 为V0的柱体沿流动方向作用一个惯性力。
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简介
波浪力的计算按照其尺度大小的不同： (2) 而随着结构物尺度相对于波长比值的增大，例如平 台的大型基础沉垫、大型石油贮罐等，此类尺度较大的 结构物本身的存在对波浪运动有显著影响，对入射波浪 的绕射效应以及自由表面效应必须考虑。此时要采用绕 射理论(MacCamy和Fucks)计算波浪力；
•(3)由于结构物本身对入射波的绕射作用而产生的绕射 效应;
•(4)由于结构物本身的相对高度较大，结构物与自由表 面接近扰动了原波动场的自由表面而产生的自由表面效 应。
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简介
波浪力的计算按照其尺度大小的不同： (1)与入射波相比，尺度较小的结构物，例如孤立桩柱 、水下输油管道等，此类结构物的存在对波浪运动无显 著影响，波浪对结构物的作用主要为粘滞效应和附加质 量效应；
考虑圆柱体的运动时，任意高度z处的水平波浪力:
fH
=
1 2
C
DρD(ux − x&) u + ρ πD2 4
x − x& ∂ux
∂t
+
Cmρ
πD 4
2
( ∂ux ∂t
− &x&)
fH
=
1 2
CDρD(u
x
− x&) ux
− x&
z c
+ CMρ
πD 2 4
∂ux ∂t
− Cmρ
πD 2 4
&x&
fH
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第四章 小尺度结构物上的波浪力
{ 4.1.2 绕流横向力
4.1 绕流力
当流体横向流经圆柱体时，流体作用在柱体上的作用力 可以分解为与来流方向垂直的升力和与来流方向一致的 拖曳力。升力主要是由于涡旋交替自柱体脱落而使柱体 两侧压力产生脉动而造成的。
S= fD v0
fL
大小与柱面附近边界内流体的流态和柱体沿流向的形 状有关。
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3×105 ≤ Re < 3.5×106
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{ 4.1.1 绕流拖曳力
4.1 绕流力
拖曳力计算公式 单位长度柱体上的拖曳力可用下式计算:
各项含义 ρ—流体的密度; A—单位长度柱体垂直于流体流动方向的投影面积；
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第四章 小尺度结构物上的波浪力
4.1 绕流力
{ 4.1.3 绕流惯性力
柱体的扰动使柱体周围改变了原来得运动状态的那部分 附加质量沿流体流动方向也将对柱体产生一个附加惯性力 Mw，又称附加质量力。
因此加速的流体沿流动方向真正作用在柱体的绕流惯性 力为:
1. CM为质量系数(惯性力系数)，集中反映了由于流体的惯 性以及柱体的存在，使柱体周围流场的速度改变而引起 的附加质量效应。 （见表4.1）
dz z2
z
z1
o
x
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