波浪力学第四章小尺度结构物上的波浪力

时间：2025-04-20

波浪力学讲义

海洋工程波浪力学

中国海洋大学工程学院海洋工程系王树青

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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

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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4.2.1 Morison方程 4.2.2单柱体上的波浪力 4.2.3单柱体上的横向力 4.2.4群柱上的波浪力 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 4.4作用在海底管道上的波浪力中国海洋大学海洋工程波浪力学王树青

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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； (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；

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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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4.1绕流力为什么？波浪对小尺度结构物的作用力是与流体绕固体流动时所产生的绕流现象紧密相关。波浪力的计算以绕流理论为基础进行分析。海洋工程结构物中，经常采用细长圆柱体作为基本构件，采用圆柱体进行分析。下面先以定常水流基础，研究定常水流对圆柱体的作用力; 再讨论非定常振荡水流对圆柱体的作用力。

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第四章小

尺度结构物上的波浪力

4.1绕流力

4.1.1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。摩擦拖曳力是由流体的粘滞性而在柱体表面形成边界层，在边界层范围内，流体的速度梯度很大，摩擦效应显著。流体作用在柱体表面各点的摩擦切应力在流动方向上的投影总和为作用在圆柱体上的摩擦拖曳力。大小与柱面附近边界内流体的流态和柱体表面的粗糙度有关。中国海洋大学海洋工程波浪力学王树青

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第四章小尺度结构物上的波浪力

4.1绕流力

4.1.1绕流拖曳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。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。

3× 105≤ Re< 3.5× 106中国海洋大学海洋工程波浪力学王树青

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4.1绕流力

4.1.1绕流拖曳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；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。中国海洋大学海洋工程波浪力学王树青

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4.1绕流力

4.1.2绕流横向力

Re< 5

150≤ Re< 300