海洋结构物水动力学

研究海洋环境条件下结构物的水动力问题，包括海洋结构物在波浪和流作用下的外载荷以及结构物的响应和安全性问题。海洋结构物指海洋石油平台 (见彩图)、消波岸、 防波堤、海上机场、 海上工厂等工程，海浪、海流、潮汐、盐分差、温差等能源吸取和利用装置，深水采矿和抑制海面油污的设备。海洋结构物的环境条件一般包括：风、浪、流、潮汐、水深、地形、冰、地震等，其中与水动力有关的主要环境条件是波浪和流，但也必须考虑直接与波浪的变形有关的水深和地形。海洋结构物水动力学主要研究海洋结构物在生存条件和工作条件下的性能。生存条件是指海洋结构物在使用期内可能遇到的最危险海况，一般是取50年、100年一遇的环境条件极值；工作条件是指所在海区中出现概率较多的海况。工作条件与生存条件不同，非线性问题不突出，可用线性叠加原理和概率论来处理。海洋结构物按照同海岸的距离可分为海岸结构物和离岸结构物。海洋结构物目前有两类：固定式和可移动式。固定式海洋结构物可分为桩基式和重力式两种；可移动式海洋结构物可分为浮动式、半潜式和潜水式三种，其中浮动式和半潜式海洋结构物又可分为有系泊和无系泊两种。

海洋平台--海洋结构物水动力学的研究对象之一

研究内容  主要有以下几方面：

波浪理论  它是自由表面流动理论的一种，已在水利工程和船舶耐波性研究中应用多年。近年来，海洋工程的飞速发展又给波浪理论的研究工作以有力的推动。海洋结构物的外载荷主要取决于波浪力(或力矩)的大小。为估算海洋结构物的波浪载荷而经常采用的波浪理论有正弦波理论和斯托克斯有限振幅波理论(见液体自由表面波)。前者计算方法简单，可应用于谱分析计算；后者考虑了波浪的非线性，主要应用于设计波法计算。此外，对浅水建筑物，可用孤立波理论进行计算；在水深与波长之比在1/50至1/10范围内，可采用椭圆余弦波理论进行计算。

海洋结构物水动力  主要是与结构物运动加速度成比例的惯性力或惯性力矩，与运动速度成比例的阻尼力或阻尼力矩，与运动位移大小成比例的恢复力或恢复力矩，波浪力或力矩，流作用力或力矩。此外，还有由不同自由度运动的耦合运动引起的水动力。

莫里森等人在1950年提出作用在桩柱长度微元上的波浪力计算公式莫里森公式：

，

式中dF为作用于桩柱长度微元ds的力；ρ为水的密度; U为垂直桩柱轴向的水质点瞬时速度；为垂直桩柱轴向的水质点加速度；A为桩柱截面面积；D为桩柱直径；C为阻力系数；C为惯性力系数。沿水质点速度和加速度方向作用于桩柱的总波浪力为：，式中η为瞬时水位。

波浪和流一般总是同时作用于海洋结构物，所以需要研究结构物在波浪和流联合作用下的水动力特性。一般都假定流是定常的，因而把流作用力作为定常力处理。

海洋结构物的运动  浮动式海洋结构物在波浪和流作用下的运动有六个自由度，包括三个线位移(分别称为纵荡、横荡和垂荡)和三个角位移(分别称为横摇、纵摇和艏摇)。此外，还有由于与波高平方成正比的二阶力造成的海洋结构物的长周期运动。

在生存条件下海洋结构物的安全性  主要包括海洋结构物在海浪中的稳定性，由于甲板冲击、上浪或由于疲劳、振动等导致海洋结构物失事等问题。

海洋结构物的下水和拖航  研究海洋结构物下水、拖航至安装地点所遇到的水动力问题。例如，下水和拖航时各种流体动力和稳定性问题。

海洋结构物构件的水动力  包括对各种形状的结构和构件群(如数个相同的立柱)的水动力，并研究某些海洋结构物的桩柱或升管在流体中产生的旋涡和振动，以及与平台运动有关的粘性阻尼等粘性水动力问题。

研究方法  有下述三种方法：

分析法  用来探讨海洋结构物在波浪中的性能，有设计波法、设计谱法、非线性时域分析法和随机线性响应法。

设计波法是用假想的等效规则波代替实际不规则波。前者的周期和波长可由后者的周期和波长的观测值来确定。此法简单，便于考虑波浪外载荷的非线性因素，可用非线性波理论计算水质点的速度和加速度，并可简单地估算流的影响。此法广泛用于海洋结构物初始设计。

设计谱法是采用谱分析的方法。首先从长期海浪观测资料中，求出最大波所对应的有效波高和周期，由此确定设计谱；再利用与船舶耐波性理论相似的方法求出响应谱，进而求出响应的极值。此法运用了线性叠加原理。对浮动式海洋结构物等多用此法计算。

非线性时域分析法是先从长期海浪观测资料中求出设计谱，再用时域分析法求出响应的极大值。所谓时域分极法乃是通过系统的脉冲响应函数和输入的时间历程求输出时间历程的方法。此法的优点是：可以考虑不规则波的特性；可处理非线性现象；输入波和输出响应间的因果关系明显;结果较为直观。缺点是计算时间长;难以考虑频率对各水动力的影响。

随机线性响应法的理论基础是线性叠加原理。往往由于在海洋结构物的设置海区缺少长年的波浪统计资料，而影响到此法的应用。

计算法  有二维水动力和三维水动力两种计算法。在船舶耐波性研究中，对于船型剖面大部分采用二维水动力计算法，此法计算时间短，经济实用。对三维形体的海洋结构物一般多用三维水动力计算法，目前多采用奇点分布法求解三维速度势，此法计算时间长，费用高。近年来，有限元法(FEM)逐渐在海洋结构水动力计算中得到应用，其优点是可适用于任何几何形状的结构物。用上述各种计算法不仅能求出海洋结构物的水动力，还可求出六个自由度的运动响应。此外，还有一些供计算用的经验公式。

实验法  海洋结构物水动力实验大都在海洋工程专用水池或船模实验水池中进行，有构件实验、整体模型实验和实体实验三种。构件实验是研究立柱、沉箱、下船体、升管等的水动力特性的试验。整体模型实验是用一定缩比的海洋结构物整体模型，在满足一系列相似条件下所进行的试验；试验时，利用水池制造波和流来模拟实际海洋的环境条件(工作条件和生存条件)，通过试验预报海洋结构物的外载荷、运动和安全性等。实体实验是在实际海洋的环境条件下对海洋结构物直接进行试验，以获得真实资料，但时间长、费用高。

展望  海洋结构物水动力学是由于海洋开发而形成的新兴学科。目前不少国家正致力于兴建或改建原有波浪水池以适应风、浪、流联合作用下的试验研究。理论分析方法正由频域分析向时域分析方面发展，由一阶响应向二阶响应方面发展，从波频响应分析到长周期运动方面发展等等。

参考书目 T.Sarpkaya and M.Isaaoson，Mechanics of Wave Forceson Offshore Structures，Litton Educational Pub.，New York，1981. 哈勒姆等著，侯国才等译：《海洋建筑物动力学》，海洋出版社，北京，1981。(M. G. Hallam，et al.，Dynamics of Marine StructureEngineering Group，London，1977.) 高橋雄、佐尾邦久：海洋構造物の設計と海本造船学会誌》，3月，1980。 藤井斉、前田久明、小林正典： 海洋構造物の運動推定法(Ⅰ)，《日本造船学会誌》，4月，1981。