课程名称水波动力学及波浪载荷
船舶与海洋结构物设计制造博士研究生培养方案
船舶与海洋构造物设计制造博士硕士培养方案（学科、专业代码: 082401, 授工学学位）一、培养目旳1. 热爱祖国, 拥护中国共产党旳领导, 遵纪遵法, 有献身于科学旳事业心、合作精神和创新精神, 能积极为社会主义现代化建设事业服务；2．具有本专业坚实广阔旳基础理论和系统深入旳专门知识, 掌握本学科旳现实状况、发展方向和国内外学科旳前沿发展动态；具有较强旳试验动手能力和数据分析能力, 掌握必需旳测试技术和计算机应用技术；至少掌握一门外国语；3. 在本学科或专门技术上做出发明性旳成果；4．培养严谨求实旳科学态度和作风, 具有创新求实旳精神及良好旳科研道德, 具有独立从事本学科旳科学研究或处理工程重大技术问题旳能力。
二、本学科设置如下研究方向1. 船舶与海洋构造物总体设计、多学科设计优化理论与措施2. 船舶与海洋构造物水动力与流噪声性能分析、控制与优化3. 船舶与海洋构造物节能减排技术4. 船舶与海洋构造物构造力学与声性能分析、控制与优化5. 船舶与海洋构造物先进制造技术与信息管理三、学习年限本专业博士生旳学习年限一般为3~5年。
硕博连读、直攻博硕士旳学习年限一般为4~6年。
四、学分规定与分派已获硕士学位博士生总学分规定≥29学分。
硕博连读、直攻博硕士总学分规定≥53学分。
以同等学力报考博士生按硕博连读、直攻博硕士旳规定培养, 符合课程免修规定旳, 可申请免修。
五、课程设置及学分规定一览表表2 博士生课程设置及学分规定六、本学科对博士生培养提出旳详细规定1. 博士硕士旳培养实行导师负责制, 构成以指导教师为组长旳博士硕士指导小组, 负责博士硕士旳培养和考核工作。
2. 对跨一级学科课程旳限定（1）跨一级学科课程指船舶与海洋工程学科外旳硕士课程, 如力学专业课程, 且必须跟班听课并同堂参与考试。
（2）所选旳跨一级学科课程不得与硕士期间所修旳课程相似。
3. 文献阅读与论文选题汇报, 通过开题得1学分。
规定博士生在阅读80至100篇有关文献(其中外文文献数量不低于50％)旳基础上, 结合研究方向和论文选题写出文献阅读汇报。
《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。
16章 波动水力学教材
第14章波动水力学波动水力学主要研究波浪的运动规律。
波浪是一种常见的水流运动现象，在海洋、湖泊、水库等宽广的水面上都可能发生较大的波浪。
波浪理论的研究对于航运、筑港、海洋环境保护及海洋资源开发等都具有十分重要的意义。
为了正确计算海上建筑物的稳定性，合理地规划、设计和建造港口与海岸工程建筑物，合理估算港湾的冲淤或海岸的变迁，合理开发波浪能量等，都必须研究波浪的运动规律。
波浪现象的一个共同特征，就是水体的自由表面呈周期性的起伏，水质点作有规律的往复振荡运动。
这种运动是由于平衡水面在受外力干扰而变成不平衡状态后，表面张力、重力或科氏力等恢复力使不平衡状态又趋向平衡而造成的。
海洋中的波动可以按照干扰力、恢复力等多种方式分类，例如，按照引起波动的原因（干扰力）进行分类有：由风力引起的波浪，称为风浪（风成波）；由太阳和月球以及其他天体引起的波浪，称为潮汐波；由水底地震引起的波浪，称为海啸（津波）；由船舶航行引起的波浪，称为船行波等。
引起波动的最常见的因素是风，对风作用下的波浪，在波峰的迎风面上，水质点的运动方向与风向一致，会加速水质点的运动；在波谷的背风面上，水质点的运动方向与风向相反，会减慢水质点的运动，所以风浪的剖面往往呈前坡缓、后坡陡的不对称形状，如图14-1a所示。
当风停止后，由于惯性和重力的作用，波浪仍然不断地继续向前传播着。
当传播到无风的海区后，这个海区也会产生波浪。
这种波浪，波峰平滑、前坡与后坡大致对称，外形较规则，人们通常称它为涌浪，也叫余波。
其剖面形状如图14-1b所示。
图14-1波浪剖面示意图对于如图14-1b所显示的规则波浪的剖面，可以定义以下一系列名词和参量。
（1）波峰：波浪在静水面以上的部分；波顶：波峰的最高点。
（2）波谷：波浪在静水面以下的部分；波底：波谷的最低点。
（3）波高H：波顶与波底之间的垂直距离。
（4）振幅a：波高的一半。
（5）波长L：两个相邻波顶（或波底）之间的水平距离。
水力学讲稿(黄华版)2014(Anew3b)cankao_20140307132059资料
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此外，防波堤（包括固立式和浮动式）也属于
浅水海域中的大尺度近岸海工结构物。例如前 年启动的一个千万元级别的海洋工程重大项目 （2010年国家海洋公益性行业科研项目“新型 浮式防波堤关键技术应用示范”）所涉及的结 构就属于典型的大尺度海工物体。
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海
洋
石
油
钻
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船 运 动 兴 波
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船 运 动 兴 波
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2. 波浪问题的一般概念
② 波浪问题研究的工程应用背景
---- 海面上波浪最大高度可达二三十米，对船舶、采油平台和港 口等海工设施可能产生较大的破坏，因而需对波浪载荷加以确 定，对波浪的破坏作用加以预估。
---- 波浪传入浅水之后将引起海底泥沙运动，从而导致港口等海 岸建筑物附近海岸的淤积或冲刷及航道的淤积，甚至对岸堤上 建筑物的直接冲击和破坏。因而近岸波浪作用理论的发展十分 必要。
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例 大尺度海工结构波浪作用研究
随着人类对海洋开发的不断增长，海洋 结构物的建造尺度也在不断增大。例如在 海上石油钻井平台的设计中，很多都采用 大直径圆柱结构作为支撑物；在自升式重 力平台以及港口码头船锚锚碇的建造中， 通常采用大型沉块结构；在海洋半潜式平 台如水上码头或水上休闲运动场所和海洋 网箱的建造中，都要用到浮筒结构。
气 动 式 波 浪 发 电 设 施
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波能试验实例 震荡式波浪能发电装置---装置的原动力为
波浪冲击载荷，在波浪冲击载荷的作用下，通过门板与门板后 的挡板之间的相互配合使门板做往复运动。与门板固连的竖轴 与门板一起做往复转动，该竖轴通过锥齿轮与水平横轴连接将 竖轴的往复转动转换为水平轴的双向转动。水平轴的双向转动 输入通过本装置的一套棘轮机构转换为单向转动输出，单向转 动输出轴与链轮发条机构连接，并将能量贮存在发条中，发条 由控制电路控制并通过链传动与发电机相连最终实现本作品的 发电的功能。
海洋工程波浪力学教学设计
海洋工程波浪力学教学设计课程目标本课程主要介绍海洋工程波浪力学的基本理论、研究方法和应用技术，培养学生掌握波浪力学基本理论和方法，了解波浪应用技术的前沿和发展趋势，具有实际应用能力和创新能力。
教学内容1.波浪基本概念2.波形和波动方程3.一维波浪理论4.波浪测量和预测5.波浪与结构的相互作用及其应用6.海岸工程波浪问题教学方法1.讲授理论知识2.课堂练习3.讨论案例分析课堂设计第一节课教学内容•波浪基本概念•波形和波动方程教学目标•了解波浪基本概念和波形和波动方程的基本理论知识。
•掌握三种波的类型和波浪的频率、波速等基本特性。
教学方法1.讲授理论知识2.课堂练习3.讨论案例分析教学流程1.引入：让学生了解海洋工程波浪力学的基本概念和重要性。
2.讲解波的基本概念和术语。
3.介绍三种波的类型和波浪的频率、波速等基本特性。
4.解释波形和波动方程的概念和意义。
5.让学生完成几个练习题，检验掌握程度。
第二节课教学内容•一维波浪理论•波浪测量和预测教学目标•了解一维波浪理论和波浪测量和预测理论。
•理解波浪预测的方法和技术。
教学方法1.讲授理论知识2.课堂练习3.讨论案例分析教学流程1.引入：让学生了解One-dimensional Wave Theory的产生背景和意义。
2.讲解一维波浪理论的基本原理。
3.介绍波浪测量和预测的方法和技术。
4.分析波浪预测的实际应用和前沿。
5.让学生完成几个练习题，检验掌握程度。
第三节课教学内容•波浪与结构的相互作用及其应用•海岸工程波浪问题教学目标•了解波浪与结构的相互作用及其应用。
•掌握海岸工程波浪问题解决的方法和技术。
教学方法1.讲授理论知识2.课堂练习3.讨论案例分析教学流程1.引入：让学生了解波浪与结构相互作用及其应用的数量和重要性。
2.介绍波浪与结构相互作用的基本原理。
3.讲解海岸工程波浪问题的解决方法和技术。
4.分析波浪与结构相互作用及其应用的实际应用和前沿。
5.让学生完成几个练习题，检验掌握程度。
波浪载荷讲义
{
S
}
{
D
}
{F (t )} = {F S (t )} + {F D (t )}
& & & (t )} + [ B]{η (t )} + [C ]{η(t )} = { f (t )} = { f }e iωt ([ M ] + [ A]){η
(3.1.10)
其中，流体静力载荷可由船舶静力学给出；流体动力载荷则需按线性势流理论进行计算。 经整理，船舶在规则波中的运动微分方程有如下形式： (3.1.11)
维理论61451定解条件61452分布源积分方程的导出62453二维时域格林函数的数值计算63454应用高速细长体理论的数值实例64参考文献67第五章波浪载荷预报51线性波浪载荷情况511短期预报512长期预报52非线性波浪载荷情况521短期预报522长期预报53波浪载荷的极值预报54非线性波浪载荷长期极值的简化计算第六章砰击载荷61砰击的类型与危害62二维水动力冲击理论63二维水动力冲击理论的演变与发展631wagner拟合理论的推广632二维水动力冲击的数值计算方法6321完全非线性求解的物体入水冲击理论6322广义wagner的简化求解物体入水冲击的理论6323以上两种理论的总结及其它一些数值求解633楔形体入水冲击的水弹性理论634平底入水冲击的气垫效应64二维水动力冲击理论的试验研究与理论计算的比较验证641庄生仑博士的系列试验研究642marinter的试验研究643国际性比较研究65船舶砰击的实用计算651发生砰击的条件652砰击次数与砰击概率653砰击时的水动压力654砰击时的水动力655船体对砰击的整体响应第七章波浪载荷设计值71确定波浪载荷设计值的原则72剖面波浪载荷的设计值73低频波浪载荷分量之间的组合74砰击载荷的设计值75极限强度校核中的波浪载荷76疲劳强度分析中的波浪载荷第八章船舶波浪载荷的试验研究81实船试验及模型试验的必要性和意义82实船海上试验821短期试验1常规的运动和载荷响应试验2高速高浪级下的砰击响应试验822中期试验1essexcva9航母试验2sealand集装箱船试验823长期试验极值应变仪的随船长期实测83水池模型试验831相似理论及船模设计832典型水池模型试验介绍8321传递函数试验及短期响应研究1s175集装箱船模试验2驱逐舰型船模试验8322非线性波浪载荷的水池模型试验1wigly船型的试验2首特大外飘船模的试验第三章波浪中的船舶运动与三维线性势流理论三维线性势流理论是深入研究船舶在波浪中的运动与波浪载荷特性所必备的基础知识
流体力学 第七章 波浪理论
第七章波浪理论课堂提问：为什么海面上“无风三尺浪”船舶与海洋工程中：船舶摇摆和拍击，船舶稳性，兴波阻力。
沿岸工程中：波浪对港口、防波堤的作用。
离岸工程中：钻井平台，海工建筑、海底油管等水波起制约作用的物理因素是重力，粘性力可略而不计，因此可用理想流体的势流理论来研究波浪运动的规律。
本章内容:着重介绍小振幅波（线性波）理论,相关内容为：1.小振幅波的基本方程和边界条件2.波浪运动的有关概念（波速、波长、周期、波数、频率、深水波、浅水波等）3. 流体质点的轨道运动4. 前进水波中的压力分布5. 波群与波群速6. 船波7. 波能传递与兴波阻力7-1 微振幅波的基本方程与边界条件§一简谐前进波沿ｘ轴正向移动,h—水深（从平均水平面到底部的距离）η（x , t）—自由面在平均水面以上的瞬时垂直距离ａ—振幅Ｈ—波高，对于小振幅波 H = 2aＬ—波长（两相邻波峰或波谷间的距离）Ｔ—周期（固定点处重复出现波峰（或波谷）的时间间隔，或波形传播一个波长所需的间。
Ｃ—波速，或相速度（波阵面的传播速度） C = L/T （7－2）ｋ—波数（2π距离内波的数目）K = 2π／L （7－3）σ—圆频率（2π时间内波振动的次数)σ＝2π／T （7－4）微振幅波理论的基本假设１.理想不可压缩流体，重力不能忽略；２.运动是无旋的，具有速度势；３.波浪是微振幅波（线性波），即Ｈ<<Ｌ （7-5） 速度势φ（x ，z ，t ），满足xz v x v z ϕϕ∂=∂∂=∂ （7-6）且满足Laplace 方程：22220x zϕϕ∂∂+=∂∂(, )h z x η-<<-∞<<+∞ （7-7）底部条件(不可穿透条件）:0z v z ϕ∂==∂（ z = -h ） （7-8）自由表面边界条件：1z g t ηϕη=∂=-∂（7-10）令z=η,自由表面上相对压力p=0。
为使边界条件线性化，假定速度平方v ２→0 而得到。
海洋力学的波浪动力学模拟
海洋力学的波浪动力学模拟海洋力学涉及海洋中各种力学现象的研究，波浪动力学模拟是其中的一项关键技术。
通过模拟波浪的动力学行为，我们可以更好地理解海洋中的波浪形成和传播规律，为海洋工程、海洋资源开发等领域的设计和决策提供基础依据。
一、波浪动力学模拟的背景海洋是地球表面近三分之二的面积，其波浪现象广泛存在于海洋中的复杂环境中。
波浪动力学模拟的研究旨在解析波浪的形成机制、传播过程和相互作用，以及其对海岸线侵蚀、海洋能源利用等方面的影响。
二、波浪的基本特性波浪是一种传播能量的现象，可以分为长周期波、中周期波和短周期波。
对于波浪动力学模拟而言，我们主要关注以下几个方面的特性：1.波高：波浪顶部到波槽或水平线的峰值距离。
2.波长：波浪连续波峰之间的距离。
3.频率：波浪通过某一点的数量在单位时间内的计数。
4.周期：波浪通过特定点所需的时间。
三、波浪动力学模拟的方法1.线性理论模型线性理论模型是最基本的波浪动力学模拟方法之一。
该模型基于波浪的线性性质，适用于短周期波浪的模拟。
通过线性方程组求解，可以得到波浪的波高、波长等参数。
2.非线性浅水理论模型非线性浅水理论模型适用于波浪的非线性传播情况。
通过求解非线性浅水方程，可以获得更准确的波浪形态和传播速度。
3.数值波浪现象模拟数值波浪现象模拟是一种基于计算机模拟的方法，通过离散化、差分或有限元等数值计算技术，模拟波浪的动力学行为。
该方法可以考虑更多的实际因素，如海床形态、海洋流场等，对波浪的模拟结果更为准确。
四、波浪动力学模拟的应用领域1.海岸工程设计波浪动力学模拟可以为海岸工程设计提供关键参数，如波浪冲击力、波浪力矩等。
通过模拟不同情况下的波浪动力学行为，可以预测海岸线侵蚀情况，指导防波堤、海堤等工程物的设计。
2.海洋能源利用波浪动力学模拟也是海洋能源利用领域的重要工具。
通过模拟波浪的传播和相互作用，可以评估波浪能量资源，并设计合适的波浪能发电设备。
3.海洋资源开发海洋资源开发中，波浪动力学模拟可以帮助我们了解波浪对海洋生态环境的影响，指导海洋渔业、海底矿产资源开发等活动。
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课程代码：140.503
英文名称：Wave dynamics and wave load
课程类型：■讲授课程□实践（实验、实习）课程□研讨课程□专题讲座□其它
考核方式： 考试
教学方式：讲授
适用专业：船舶与海洋结构物设计制造、水下工程
适用层次：硕士■博士 □
开课学期：
总学时/讲授学时：32/32
第三章非线性表面波理论
Stokes波理论；浅水波理论；余摆线波理论；流函数理论；破碎波；波浪理论的比较
第四章作用在固定结构上的波浪力
Morison方程；作用在固定大型结构上的波浪力；Morison方程与绕射理论的关系；自由表面的影响；垂直墙上的波浪压力
第五章作用在漂浮体上的波浪力
作用在铰接培上的波浪力；切片理论；确定流场速度势的数值方法；二阶波浪力；
学分：2
先修课程要求：
课程组教师姓名
职 称
专 业
年 龄
学术专长
王先洲
讲师
船舶与海洋工程
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流体力学
冯大奎
讲师
船舶与海洋工程
34
流体力学张志国来自副教授船舶与海洋工程50
流体力学
教学大纲：（章节目录）
第一章绪论
数学基础；基本坐标系和基本方程；问题的分类
第二章线性表面波
线化边值问题的建立；线化水波问题的一些简单近似解；波能和群速度；Fourier变换和点源解
刘应中，船舶在波浪上的运动理论，上海：上海交通大学出版社,1994
梅强中,水波动力学,北京：科学出版社,1984
第六章不规则波理论及结构响应统计
不规则波理论概述；结构响应统计；波群谱和二阶力谱
教材：
李远林，波浪理论及波浪载荷，广州:华南理工大学出版社, 1994
主要参考书：
黄祥鹿、陆鑫森，海洋工程流体力学及结构动力响应，上海:上海交通大学出版社, 1992
O.M.Faltinsen，船舶与海洋工程环境载荷，上海：上海交通大学出版社,2008