计算孤立小桩柱上随机波浪力的一个线性化的Morison公式

本文在线性波理论下，从计算孤立小桩柱上随机波浪力的Ｍｏｒｉｓｏｎ公式出发，通过对波浪力的概率密度的推导和分析，提出了一个新的线性化的Ｍｏｒｉｓｏｎ公嵤健８霉接胍言诠こ躺瞎惴菏褂玫模拢铮颍纾恚幔睿保梗叮纺晏岢龅南咝曰模停铮颍椋螅铮罟綅在对阻力的线性化上略有不同，由这个公式计算的小桩柱上的阻力是按Ｂｏｒｇｍａｎ线嵭曰模停铮颍椋螅铮罟浇屑扑闼媒峁模保埃副叮凑飧鲂碌南咝曰模停铮颍椋螅铮顛公式计算的随机波浪力的方差与直接利用Ｍｏｒｉｓｏｎ公式进行计算的结果是完全相同嵉模闹懈龅睦砺鄯治龊褪导扑憬峁砻鳎旱弊枇ο灾保晌颐翘岢龅募埃拢铮颍纾恚幔罡龅南咝曰模停铮颍椋螅铮罟降玫降男∽闲±刍怕氏碌乃婊ɡ藣力，均比直接由Ｍｏｒｉｓｏｎ公式进行计算得到的结果偏小，但按我们给出的线牲化的崳停铮颍椋螅铮罟降玫降慕峁劝矗拢铮颍纾恚幔畹南咝曰模停铮颍椋螅铮罟降玫降慕峁鼚接近于直接由Ｍｏｒｉｓｏｎ公式给出的结果。

Morison公式在悬浮隧道波浪荷载计算中的运用研究

水下悬浮隧道是一种悬浮于水中的大型跨海交通工程,作为一种全新的水下结构,其在设计、施工、运维等阶段仍存在很多亟待解决的工程问题。以某工程案例为依托,采用Morison公式计算了悬浮隧道的波浪荷载,将计算结果与数值模拟的结果进行对比分析,验证了该方法的可行性,并对涉及计算的各计算因素进行了敏感性分析。结果表明:Morison公式与数值模拟的计算结果相差较小,采用Morison公式计算较为简单,适合在工程项目中推广使用;在一般的工程条件范围内,速度力系数CD、海洋生物生长厚度等因素对计算结果影响不大;而惯性力系数Cm和是否考虑结构不同位置的波浪相位差对计算结果影响较大,实际工程运用中应予重点关注。

用Morison公式试算海洋内孤立波对桩柱的作用力和力矩

根据实测流速资料采用Morison公式初步计算了海洋内孤立波对桩柱的作用力和力矩。内孤立波对桩柱的作用力与表面波的作用力是明显不同的。内孤立波的作用力几乎分布在整个深度范围；它在铅直方向不但有量值变化。也有方向改变——第一模态内波的作用力在桩柱的上、下部位作用方向相反。表面波对桩柱的作用力随深度的增大较快的衰减。且深度的改变不会使作用力的方向发生变化。计算结果表明：引起2．1m／s水平流的内孤立波对桩柱产生的总作用力约相当于300m波长、18m波高的表面波的总作用力；由于海洋内孤立波能引起很大的水平流，它对海上石油平台桩柱产生的总作用力以及相对于海面的力矩是不能忽略的。因此，在海上石油平台设计中应充分重视内孤立波的作用。

海洋内孤立波作用下潜体运动响应特性研究

2021年4月印度尼西亚海军“南伽拉402”号潜艇在巴厘岛以北约60海里(111.12km)处发生沉没,分析表明大振幅海洋内孤立波作用可能是事故原因之一。基于大振幅内孤立波eKdV理论与Morison公式建立了内孤立波作用下潜艇的运动学模型,揭示不同内孤立波振幅、潜艇潜深条件下潜艇的运动响应特性,进一步说明内孤立波可能造成印度尼西亚潜艇失事。结果表明:内孤立波对潜艇的运动状态产生巨大影响。垂直方向上潜艇在短时间内产生大幅度掉深,而水平方向上其运动方向在密度界面上或界面处与内孤立波传播方向一致,界面下则相反,且内孤立波产生的垂向力矩可能造成潜艇倾覆。不同波幅、潜深下潜艇表现出不同的运动响应规律。研究表明印度尼西亚潜艇失事可能是潜艇执行任务过程中遭遇了较大振幅内孤立波,导致其发生大幅度、迅速掉深。

内孤立波对海洋工程结构物作用的时空演变研究

针对内孤立波在传播过程中导致海面海水剧烈辐聚和突发性强流,会对海上油气平台、输油管道等海洋结构物造成严重威胁的问题,本文基于高质量的实测数据,通过内波动力模态分解以及Morison方程,研究了内孤立波对小直径圆形桩柱的作用力,包括总作用力、作用力随时间的变化、作用力沿水深的分布以及作用力分量的大小。研究结果表明,桩柱所受的总作用力以第1模态为主导;波谷达到时,对桩柱的作用力会达到最大值,并且作用力的大小都呈现出为先增大后减小的变化趋势;上、下2层流体的拖曳力方向相反,惯性力的方向也是相反的,而在同一层流体中,拖曳力和惯性力的方向也是相反的;在内孤立波经过时,Morison方程计算得到的惯性力没有明显的变化趋势,惯性力相比于拖曳力,惯性力量值小,对总作用力的影响也很小,基本可以忽略不计。本文的研究内容为海洋油气钻井平台的设计提供了参考。

圆柱型结构内孤立波载荷实验及其理论模型

在大型重力式密度分层水槽中,对内孤立波与圆柱型结构的相互作用特性开展了系列实验.基于两层流体中内孤立波的KdV,eKdV和MCC理论,建立了圆柱型结构内孤立波载荷的理论预报模型,给出了该载荷理论预报模型中3类内孤立波理论的适用性条件.研究表明,圆柱型结构内孤立波水平载荷包括水平Froude--Krylov力、附加质量力和拖曳力3个部分,可以由Morison公式计算,而内孤立波垂向载荷主要为垂向Froude--Krylov力,可以由内孤立波诱导动压力计算.系列实验结果表明,附加质量系数可以取为常数1.0,拖曳力系数与内孤立波诱导速度场的雷诺数之间为指数函数关系,而且基于理论预报模型的数值结果与系列实验结果吻合.

海洋内波和洋流联合作用下水中悬浮隧道的动力响应

基于势流函数理论建立层化海洋内波流场,采用Morison方法考虑内波和洋流联合作用力,建立悬浮隧道-流体相互作用非线性振动数学物理模型.运用Galerkin(伽辽金)法数值求解振动微分方程,研究海洋内波和洋流共同作用下水中悬浮隧道的多模态动力响应行为.通过对拟建隧道实例的计算分析,结果表明:第一阶模态对位移响应贡献最大,在内波、洋流联合作用下,海洋内波的作用不可忽视,使第一、三阶模态的幅值都有大幅度增加,且反映出强非线性.研究成果为悬浮隧道结构荷载分析及复杂环境下海洋工程结构物所受环境荷载的研究提供有益探讨.

张力腿平台内孤立波载荷及其理论模型

在大型重力式密度分层水槽中,对内孤立波作用下张力腿平台的载荷特性开展了系列实验.基于两层流体内孤立波KdV(Korteweg-de Vries)、eKdV(extended KdV)和MCC(MiyataChoi-Camassa)理论,建立了张力腿平台内孤立波载荷的理论模型,给出了该理论模型中三类内孤立波理论的适用性条件.研究表明,张力腿平台的内孤立波水平载荷包括立柱与沉箱部分的拖曳力和惯性力,可由Morison公式进行计算,而其竖向载荷主要为竖向Froude-Krylov力,可以通过内孤立波诱导动压力在立柱底部及沉箱上下湿表面进行积分计算.系列实验结果表明,在Morison公式中的拖曳力系数与内孤立波诱导速度场的雷诺数之间为指数函数关系,惯性力系数与KC(Keulegan-Carpenter)数之间为幂函数关系,而且基于所建立理论模型获得的张力腿平台水平力、竖向力及其力矩的计算结果与系列实验结果吻合.本项研究在系列实验基础上,为海洋工程张力腿平台的内孤立波载荷预报提供了一个实用的理论计算模型.

垂荡阻尼板的强迫振荡试验

垂荡阻尼板是一种增加 Truss spar阻尼的结构形式 ,它可以通过增加平台的阻尼和附加质量 ,从而达到减小其垂向运动的目的 .为了研究垂荡板的水动力 ,进行了三角形垂荡板在单板和双板两种情况下的强迫振荡试验 .将试验结果用 Morison公式进行了分析 ,给出了垂荡板在较大Re和 Kc时的惯性力系数和拖曳力系数 ,并探讨了板间距对水动力系数的影响 ,得出了理想的板间距 .对阻尼板的设计具有一定的实用意义 .

考虑波流影响的深水群桩基础桥墩地震反应分析

用基于ABAQUS软件为平台的平行计算技术,对考虑波流影响的地基土-群桩-桥墩体系进行三维非线性地震反应数值模拟,土体和墩台以八节点等参单元离散,桩以梁单元离散,采用土体黏塑性记忆型嵌套面本构模型描述土的动力特性,采用动力塑性损伤模型描述混凝土的动力特性;基于Morison公式,采用Stokes五阶波浪理论描述表面波流,波浪力以分布力的形式施加于桥墩之上,分析了考虑和不考虑波流作用时不同地震动作用下群桩基础桥墩的地震反应特性,结果表明:波流作用对桩体加速度反应的影响很小,但对桩体相对位移和弯矩的影响显著,波流作用使桩体弯矩和顺流向的相对位移增大、逆流向的相对位移减小,其影响幅度随流速的增大而增大,波流作用与输入地震动特性密切相关。考虑波流作用对深水大型桥梁群桩基础桥墩地震反应的影响是有必要的。

海洋内波对小尺度圆柱体作用力的分析与计算

针对小尺度物体的内波荷载问题进行分析和计算.采用Morison公式估算结构物的受力,分别计算了浅海潮频(0.08 c/h)以及高频(3～5 c/h)时单色内波对直立圆柱体的荷载,并与表面波浪和海流荷载进行比较.结果表明,潮频内波与高频内波的荷载相当,比海流荷载低1～2个量阶,与表面波浪荷载相比则更小.在内波传播的某些相位,其荷载垂向上具有明显的正负交错分布,从而可以推测内波对海洋结构物的破坏主要来自于剪切作用.

内孤立波作用下Spar平台的运动响应

建立了内孤立波作用下Spar平台运动响应的时域数值模型,并利用这一模型计算了内孤立波作用下Spar平台的运动响应。其中根据K-dv方程解出内孤立波的波面及水质点速度表达式,应用Morison公式求出内孤立波对Spar平台的水平作用力;由伯努力方程求解压强,通过在平台底面积分求出内孤立波对Spar平台的垂向作用力;在悬链线理论的基础上,分析锚链对平台的作用力,采用四阶Runge-Kutta方法求解运动方程。数值结果表明,当内孤立波不断接近海洋平台时,Spar平台受到的作用力随之增大,海洋平台会产生远大于表面波作用下的水平位移,从而证实了内孤立波是影响海洋平台稳定的重要因素,在海洋平台的设计和评估中内孤立波的作用是不可忽略的。

水产养殖用水下移动机械手的耦合动力学分析

对水下移动机械手系统中本体与机械手之间的耦合动力学进行了研究,分别采用指数积方法和凯恩方程对水下移动机械手系统进行了运动分析和动力学建模并进行了求解,模拟了机械手在展开的过程中本体的运动,该研究工作对于进一步了解水下机械手的工作特点和开展机构的控制有重要价值。

水中悬浮管道的结构形式及受力特征分析

针对水中悬浮管道,提出其建造方式,并给出计算模型和计算方法。利用Morison公式计算作用在管体上的波浪荷载,计算分析管道在波浪力和水流力作用下的内力。借助ANSYS软件建立水中悬浮管道的有限元计算模型,运用Airy线性波浪理论计算水质点的速度和加速度,在此方法上计算管体的荷载和内力,与公式计算结果进行对比分析。结果表明,两者计算结果基本吻合,其误差在2%范围之内。

密度层化流体波动场中小尺度水平圆柱体受力模拟

随着海上采油事业发展,海底输油管线受力分析得到了广泛重视.抛弃刚盖假设,模拟了密度分层流中内波与表面波耦合场,采用Morison公式计算了不同深度处水平小尺度圆柱受到的内波和表面波联合作用力.数值结果表明:表面波对内波的影响是不可忽略的;迁移加速度相对当地加速度是一小量;内波场产生的水平波浪力幅值较小,只在水平方向引入高波数振型;内波对垂向波浪力的影响较大;惯性力远大于拖曳力.这些为海底管线受力分析提供了理论基础.

波浪作用对单柱式桥墩地震反应特性的影响

以ABAQUS有限元软件为计算平台,建立了考虑波浪作用影响的单柱式桥墩-桩-土体系非线性地震反应分析二维有限元模型,土体以四节点实体单元离散,采用土体粘塑性记忆型嵌套面本构模型描述土的动力特性;桥墩以及桩以两节点梁单元离散,采用动塑性损伤模型描述混凝土的动力特性;根据Stokes五阶波浪理论,将基于Morison公式计算所得的波浪力以分布力的形式施加于桥墩之上,比较了静水条件下和考虑波浪作用时不同地震动激励下单柱式桥墩结构的地震反应特性,结果表明:波浪作用的影响使桥墩墩身相对墩底的位移反应、桥墩墩底的剪力和弯矩反应有较明显的增大,但对桥墩墩身加速度反应的影响可忽略不计,波浪作用影响的大小与输入地震动特性有关.在单柱式桥墩的抗震设计中考虑波浪作用的影响是必要的。

半潜式平台内孤立波载荷计算方法及其试验验证

针对半潜式平台的立柱群和沉箱群,设计了两套独立的载荷测量系统,利用大型重力式密度分层水槽,在不同来波方向下对孤立波中半潜式平台载荷进行了系列模型试验。研究表明,对平台立柱部分,其内孤立波载荷可以用Morison公式进行计算,基于试验结果建立了Morison公式中其拖曳力系数以及惯性力系数的经验公式;对于半潜式平台的沉箱部分,当来波方向与其中纵剖面不平行时,其水平内孤立波载荷同样可以使用Morison公式进行计算,并建立了Morison公式中其拖曳力系数以及惯性力系数的经验公式;当来波方向与半潜式平台中纵剖面平行时,沉箱群的水平内孤立波载荷可以采用Froude-Krylov公式进行计算;同时,在不同来波方向下沉箱群的垂向载荷同样可以采用Froude-Krylov公式进行计算。

黏性水波场和水平方柱波浪载荷的数值模拟

随着海洋工程的快速发展,作用在建筑结构上的波浪力问题得到了广泛的重视.以N-S方程为控制方程,VOF法追踪自由面,通过在动量方程中加入简单动量源,建立了具有造波和消波功能的二维数值波浪水槽,模拟了水平方柱的波浪受力.通过实验验证:采用1倍波长造波区源项造波效果较好,解决了计算域内障碍物的二次波浪反射问题;光滑水平方柱的Morison公式推荐系数为CD=2.05和CM=1.9;作用于柱体上的黏性剪切力很小,可以忽略不计.表明建立的数值波浪水槽可用于水平方柱的波浪受力模拟.

结构流固耦合波浪动力响应的一阶预估校正法

文章基于流固耦合Morison公式和直接积分法,将待求解时刻的结构速度在上步速度处展开为Taylor级数并取至一阶精度,由此可以通过上步速度及加速度预估结构的下一步速度,从而实现对Morison波浪力的校正,避免了时间步长内的反复迭代。以Wilson-θ法为例,给出了多自由度结构在波浪作用下考虑流固耦合时动力响应的积分格式。算例分析表明,与不考虑流固耦合效应的结果相比,预估校正法计算的结构瞬态响应变小,特别是加速度和速度响应的减小更为明显,而稳态响应则逐渐趋于一致。

自升式平台圆柱式桩腿水动力载荷试验

为深入研究自升式平台圆柱式桩腿的水动力载荷问题,开展不同来流角、浪向角下的有齿条和无齿条的桩腿模型对比试验。研究齿条对拖曳力系数和惯性力系数的影响。通过分析试验数据可得:整体上拖曳力系数和惯性力系数都随入射角的增大而增大;当来流角和浪向角小于30°时,齿条对水动力系数的影响较小;当角度等于90°时,有齿条的圆柱体上的拖曳力系数是无齿条时的4.2倍,惯性力系数也显著增大。