第二章-海洋环境.ppt
浮式平台总体性能 第二章 海洋环境,1、规则波特征 2、波浪的统计描述 3、风 4、海流 5、海冰 6、内波,3 风,海洋工程结构物有上部建筑物，通常受风面积很大，且对风极敏感。风产生重要的平均作用力（对固定式结构物是横倾力矩，对浮动式结构物是平均锚泊力），同时产生频率范围很大的动载荷。,如同波浪分析是基于3h稳定海况一样，对风来说，同样是把某一时间内（如3h）风况看成稳定的，进而分析该时间内的记录。 根据对风的大量实测资料分析发现，自然界的风速并非恒定不变，而是时大时小，总是围绕某个平均值在上下发生脉动的、不稳定的变化，而风的强度与脉动频率有关。,3.1 风速随参考时间的变化,定义几个平均速度是合乎逻辑的。这些平均速度记为Vm(z,t)，其中z为高度，t为确定平均值的时间间隔。例如，Vm（z,600）表示10min内达到的平均速度，Vm(z,60)为1min内达到的平均速度等。,3.2 风速随高度的变化,海面上风的运动形式与粗糙平板上的湍流非常相近，边界层厚度为几十米（或百米）。 在热稳定大气下，认为平均速度遵循湍流边界层的对数律。 式中:v*为摩擦速度，K为冯卡门常数（约为0.4）;z0为一个随海况（因而随风速）变化的粗糙度高度，文献中给出z0的值在几十毫米到几厘米之间变化。 摩擦速度可通过下式计算： 式中：Cd为摩擦系数，Vm为参考平均速度（通常为Vm(10,600) ）,实用中常使用对数函数或幂函数使Vm(z,t)与Vm(10,t)相连，取水面以上10为参考高度。 对数函数写为： 幂函数写为：,式中，的典型值在0.1-0.2之间。 大部分规范推荐幂函数。系数可根据大气稳定性条件（不稳定的大气导致一个更平的剖面）和平均速度的参数时间（阵风也有一个更平的剖面）而调整。,3.3 速度频率谱,考虑在T时间段内点x,y,z上的风速记录。可以将速度纵向分量分解为一个平均值和一个脉动量。,由此可以得出纵向速度脉动分量的自相关函数：,通过自相关函数的傅立叶变换式，得到速度脉动量的 谱密度，通常将它用频率表示并取无因次形式：,其中：,式中：LV为参考长度。,文献中介绍的所有风谱在高频时特征一致。相反，在低频范围内，特别是对锚泊结构，其水平运动固有周期约为几分钟的量级，相差较大。 按照API RP2SK 2005的说法，目前有Ochi，Davenport，Harris，API，NPD等各种风谱，但只有API和NPD风谱在海洋工程领域应用较多。API RP2SK 2005建议使用NPD风谱，但NPD风谱在阵风周期大于500秒时对风谱描述有很大的不确定性。在浮体共振周期大于500秒时，可以考虑API上界(=0.01)风谱。,NPD风谱和API风谱的比较,在考虑风的脉动效应后，作用在结构物上的瞬时风压可以采用下式计算（DNV-RP C205）： 式中： 表示脉动风中的时变分量 表示平均风速 表示作用于结构构件上的瞬时速度。 如果风谱S(f)形式给定，脉动风速的时变分量可以写为：,在法国船级社开发的系泊分析软件Ariane 7理论手册中（2007年3月），采用如下公式进行脉动风速的计算： 式中： 表示时刻的瞬时风速 表示静水面以上10米处60分钟内平均风速。 表示代表各风谱分量的幅值、频率 （HZ），随机相位角。 表示风分量数目。,4、海流,第10届ISSC给出了从设计观点出发得到的当今海洋流的信息。表面流速度U可分为以下几部分： U=Ut+Uw+Us+Um+Uset-up +Ud 式中：Ut为潮汐流分量；Uw为当地风生成的流的分量；Us为由Stokes漂移运动生成的流的分量，对规则波有效；Um为海洋环流分量，如果有的话与地理位置有关（如海峡流等）；Uset-up为由上涌现象及狂风巨浪生成的流的分量；Ud为海洋上部强烈的水密度跃动主宰的当地水密度驱动流。,洋流的周期性约为几个月的量级。根据地球上海区的不同，潮有一昼夜或半昼夜周期。因此认为，在一个给定的海况中，流速和方向始终不变。 潮汐流分量与当地风生成的流的分量与水深有关：,式中：h为水深，单位为m；h0可选择50m。在初步估算时令Uw(0)=0.02U10，U10为海平面以上lOm处的风速。,由于海流强度和方向在不同高度的水层中会发生变化，一般来说，设计师规定了十年一遇的速度“剖面图”、百年一遇的速度“剖面图”等。,5、海冰,5.1 海冰概念：在地球的高纬度海区，极端的低温气候使得海水结冰成为经常发生的海洋水文现象，尤其是在北冰洋和南极大陆周围的海域。,5.2 海冰影响和危害 （1）海冰既阻碍着潮汐、海流、海浪的运动，又阻碍着海洋与大气的热交换，减少了海洋对太阳辐射的热量吸收，影响着海水温度的变化，并影响到大气温度、环流以及气候的变化。,§6.1海冰的概述,（2）海冰对海上运输、港口与桥梁建设、海上油气资源的勘探开发活动等都构成影响；对航行在冰区的船舶与冰区中的作业平台等海洋工程结构物造成破坏。,在我国，1969年和1977年在渤海分别发生“海二井”钻井平台和“海四井”烽火台被海冰推倒的灾害事件。,5.3 海冰的物理力学特性与海冰的作用力,物理力学特性 海冰的物理力学特性包括晶体结构、厚度、含盐度、抗压强度、抗弯强度等。 这些特征的形成具有明显的区域性与时间性特点，与所含盐度密切相关。比如含有盐水泡的海冰就不如纯水冰密结与质硬，其抗压强度比纯水冰低，约为纯水冰的34大小，而多年冰的盐分经过排析后降低了盐度，使其强度和刚度又比单年冰高。,海冰在与海洋结构物相互作用时总是要设计成海冰先遭到破坏，所以海冰的强度极限是海冰研究的重点，它的大小与海冰的破坏形式相关。 据观测，海冰与结构物相互作用中的破坏形式有挤压破坏、剪切破坏、弯曲破坏、压曲破坏、损伤、断裂扩展等不同形式，与海冰自身的物理力学特性有关，同时与海洋工程结构物的结构形式与构件布置也有关。,海冰的破坏形式,海冰的作用力,1）海冰静冰力作用 海冰水平挤压力 海冰水平挤压力是海冰对海洋工程结构物的主要作用形式，表现为海冰对直立结构物的垂直作用，海冰受到结构物的反作用力超过海冰的极限抗压强度，使海冰发生挤压形式破坏。 由于海冰具有最大的抗压强度，这使得由海冰水平挤压力产生的强度最大，危险性与破坏性也最大，是造成冰区中海洋平台被推倒的主要因素，对它的研究也最多。我国渤海中建造的平台主要还是导管架式平台，挤压力是其受到的主要作用力。,海冰受到的弯曲作用 通过改变结构的迎冰面接触形状，可改变海冰冰块的破坏形式，达到减小海冰作用强度的目的，如设计成斜面结构形式迎冰，使海冰在沿着结构物斜面移动时受到弯曲作用而先发生强度最小的弯曲破坏，使来自海冰的挤压破坏转变为弯曲破坏，可有效地减小海冰的作用力。,2）海冰动冰力作用,实际的海冰作用不仅仅是静力作用，还具有动力作用特性，存在交变冰力引起的冰激振动问题，需要考虑结构物在动态冰载荷作用下的动力响应。 一种海冰动力观点认为海冰的破碎变化具有内在的频谱特性表示为一定的冰力谱变化，与海冰本身的特性及周围的环境条件相关，并具有地域特点，但与结构型式无关。另一种观点认为冰力本身没有周期性，海冰的挤压强度随加载率而变化，海冰具有自激振动特性。,内波：发生在海洋内部不同密度层间的波动就称为海洋内波(Internal Wave)。,内波形成示意图,上层与下层因温度、含盐量差别致使密度不同，当上层与下层之间的界面受到扰动就形成內波。,6、内波,最简单的一种内波形式是发生在不同海水密度的海水界面处，称之为界面内波。由于二层海水的密度相差不大，内波的恢复力也就比表面重力波的恢复力小许多，内波波速比表面波波速也小许多，但内波振幅却很大。,我国南海受潮汐作用激发，内波活动也相当活跃。,台湾海研二号研究船雷达所看到的南海中一排排的內波，可以看到4道內波的波峰线。4道内波波峰线大致互相平行地排布，与大河底的砂波、沙漠中的沙丘的平面分布形态相似。,内波的破坏力，主要是产生内波的跃层上下，会形成两支流向正相反的内波流。这种内波流速可高达1.5米秒，犹如剪刀一般，破坏力极大。加拿大戴维斯海峡深水区的一座石油钻探平台，就曾遭内波袭击而不得不中断作业。海底输油管和电缆等的断裂很可能与这种作用有关。,
