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浮筒的波浪力计算
浮筒的波浪力计算冯铁城(上海交通大学上海200030)摘要本文研究了浮筒在漂浮状态时波浪力的计算方法,导出了考虑有限波幅影响的波浪力计算公式。为了验证本公式的可靠性,对500吨浮筒模型在上海交通大学船池中进行了模型试验。关键词浮筒波浪力1前言近年来由于海洋工程的发展,人们对波浪扰动力给予很大的注意,目前在管状空间框架形式海洋结构物的运动和强度计算中,通常采用Morison公式计算波浪载荷,Morison公式适用于构件全部浸在水中的情况,在实际的工程中某些构件可能浮在自由表面上,像浮筒,这些必须考虑波形的影响。本文讨论了部分浸水的圆形构件波浪力的计算方法,并在船池中进行了相应的模型试验。位于规则波某一位置处的物体所经受的波浪力由以下几个部分组成:(1)FW=FS+Ffk+Fi+Fr+Fd其中FW——波浪力FS——波浪中的静压力Ffk——付汝德2克雷洛夫力Fi——惯性力Fr——阻尼力Fd——耗散力在上式中,FS、Fi、Fr和Fd是物体存在引起流场压力变化产生的,Ffk是由于未经扰动的波浪沿着结构物边界的压力分布产生的。对于细长物体,如果Κ?D大于510(Κ是波长,D是圆柱的直径),耗散力可以忽略1。2波浪中的静压力考虑有限波幅波形的影响,圆形构件上的静压力可以用流体静力学的方法计算。对于图1所示的单位长度的圆形切片,静压力的垂直分量和水平分量分别为1?2ΧR22Π+Fsz=Η2-Η1+sin(Η1-Η2)]Fsz=1?2ΧR2(sinΗ1-sinΗ2)|sinΗ1-sinΗ2|其中Χ是水的比重,R是圆形构件的半径,Η1和Η2见图1。(2)第3期浮筒的波浪力计算37付汝德2克雷洛夫力3准确到kΦA三阶的余弦波的速度势可以写成g?ΞΦAekzsin(kx2Ξt)555=5t=5tgΦAekzcos(kx2Ξt)=-(3)其中k是波数,Ξ是波浪圆频率,ΦA是波幅,g是重力加速度。根据Lagrange积分有gz+P?Θ+U2?2+5t=f(t)在微波假定下,U2?2→0,则P+图1Θ5t+Θgz=c(t)代入z=Φ时P=P0的自由表面条件,可得ΘgΦA(ekΦ-Ξt)ekz)P-P0=Θg(Φ-z)-cos(kx-(4)方程(4)右端第一项是流体静压力,第二项是付汝德2克雷洛夫力,其幅值可写成ΘgΦAekh(ekz-ekΦ)cos(kx)其中h是切片圆心距静水面的距离,见图2,这时在微面积RdΗ的压力垂直分量为-ΘgΦARekh(ekz-ekΦ)cos(kx)sinΗdΗ设x0是切片圆心到坐标原点的距离,则圆形物体表面的x坐标为x=x0+RcosΗ(5)这时单位长度的垂向合力为Ffkz=-ΘgΦARek∫h2Π+Η2Η1(ekRsinΗ-ekΦ)cos[k(x0+RcosΗ)sinΗdΗ(6)相类似,单位长度的水平方向合力为2Π+Η2Η1Ffkx=-ΘgΦARek∫h(ekRsinΗ-ekΦ)cos[k(x0+RcosΗ)conΗdΗ(7)4惯性力··波浪力中的惯性成分力等于波浪水质点加速度Φ与附加质量?M=ΘArrFi=ΘAΦ其中A是实际的浸水面积,根据图1得A=1?2R22Π+Η2-Η1+sin(Η1-Η2)]波浪水质点运动加速度的垂直分量和水平分量为的乘积(8)(9)38海洋工程第14卷rrΦz=-rrΦx=其中zv和zh的取值可参考图3。kgΦAe-kzvcos(kx0)kgΦAe-kzhsin(kx0)(10)图35阻尼力单位长度波浪力中的阻尼成分力等于rrFr=-1?2ΘCDDΦ|Φ|(11)其中CD的粘性阻尼系统,D是垂直于波动速度方向的投影线尺度,见图3。Φ是波浪质点的第3期浮筒的波浪力计算39速度,它的垂直分量和水平分量分别为rΦz=rΦx=kgΦAe-kzvsin(kx0)kgΦAe-kzhcos(kx0)(12)6计算与试验结果比较模型试验是在交通大学船池中完成的,交通大学船池长110m,宽6m,水深3m,水池的一端有冲箱式造波机,可以造出规则波和不规则波,水池的另一端设有消波岸。试验原型为500吨浮筒,模型的比尺是1∶14,主要参数见表1。浮筒模型由铁皮制造,原型和模型之间满足几何相似和重量相似条件。表1原型和模型的主要参数试验时把浮筒模型置于船池中间,用三个自由度适航仪把浮筒模型和船池拖车相联,只保留浮筒模型的升沉和进退二个自由度运动。在适航仪上装置应变式测力传感器限制浮筒模型的升沉和进退运动,这样可以分别测量出浮筒模型所遭受的垂直力和水平力。在试验时,根据试验要求造一系列不同的规则波,分别测量浮筒模型的垂直力和水平力。规则波对浮筒的扰动力是周期性变化的,在一个波浪周期中存在最大值和最小值,我们把峰峰值(最大值和最小值之差)的模型测量结果和理论计算结果进行比较,见表2。模型测量的波浪扰动力已按相似的关系换算到了原
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