海洋工程環(huán)境學(xué)

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1、《海洋工程環(huán)境學(xué)》EnvironmentalMechanicsofOceanEngineering0海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)各種環(huán)境因素引起的荷載不同環(huán)境因素聯(lián)合作用引起的荷載外部荷載確定設(shè)計(jì)波/安全系數(shù)譜分析/可靠性分析理論計(jì)算經(jīng)驗(yàn)與試驗(yàn)規(guī)范與規(guī)則波浪載荷分析0海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)建造規(guī)范與規(guī)則確定外部荷載美國(guó)石油學(xué)會(huì)API挪威船級(jí)社DNV中國(guó)船級(jí)社CCS船東選定浪周期性結(jié)構(gòu)主體彎矩振動(dòng)斷裂疲勞運(yùn)動(dòng)0海洋結(jié)構(gòu)物與環(huán)境因素的相互作用1.能量譜密度概念1.海洋環(huán)境因素分析計(jì)算實(shí)際海浪是極其復(fù)雜的，只能

2、將海浪作為一個(gè)隨機(jī)過(guò)程加以研究，即略去個(gè)別波的特征，而是從總體上來(lái)加以把握。譜的概念就是從海浪的能量分布上描述海浪的特性。因?yàn)橹懒撕＠俗V，海浪的內(nèi)外結(jié)構(gòu)就得到描述。海浪譜的研究，在工程應(yīng)用上是十分重要的。在造船和海洋工程中，50年代以前是利用簡(jiǎn)單規(guī)則波來(lái)討論船體或其它水工建筑物在波浪作用下的運(yùn)動(dòng)和波浪的作用力，但實(shí)際海浪的復(fù)雜結(jié)構(gòu)是遠(yuǎn)非簡(jiǎn)單規(guī)則波可以代表的。因此，必須將海浪對(duì)船體或其它海洋工程建筑的作用也要用譜的概念來(lái)作研究，才能較好地反映實(shí)際情況。1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征1.能量譜密度概念

3、上節(jié)中介紹了Longuet－Higgins提出的海浪模型。這個(gè)模型是：任一固定點(diǎn)的表面波動(dòng)?(t)是由無(wú)限多個(gè)隨機(jī)余弦組成波迭加而成，即：為第n個(gè)具有常頻的組成波的幅值；為常頻，為第n個(gè)組成波的頻率；為第n個(gè)組成波的相位(隨機(jī)變量,正態(tài)分布)。1.海洋環(huán)境因素分析計(jì)算1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征1.能量譜密度概念波動(dòng)過(guò)程為外界輸入能量所致，因此，波動(dòng)過(guò)程本身是能量演變的過(guò)程。單個(gè)組成波在單位面積的鉛直水柱內(nèi)的平均能量為海浪的總能量E由所有組成波提供。1.海洋環(huán)境因素分析計(jì)算波動(dòng)能量示意圖1.海洋環(huán)

4、境因素分析計(jì)算對(duì)一單元規(guī)則波，其單位面積具有的波能為：去掉系數(shù)，隨機(jī)過(guò)程t時(shí)刻，頻率在單位區(qū)間，波動(dòng)的能量可以表示為50該能量在整個(gè)測(cè)量周期的平均值為該能量關(guān)于頻率區(qū)間的平均值被稱之為能量譜密度函數(shù)：1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征50譜（spectrum）的物理概念是表示隨機(jī)過(guò)程的波動(dòng)能量在頻率域的分布。1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征501.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征50波能譜密度函數(shù)表示不規(guī)則波浪中各種頻率波的能量在總波能中所占的分量，譜函數(shù)為非負(fù)函數(shù)，恒等于或大于零；波能譜曲線在低頻和高頻端都趨于零

5、，這表明實(shí)際上特別長(zhǎng)和特別短的波的波能在總波能中不起什么作用；波能譜曲線峰值鄰近區(qū)表示相對(duì)波能量比較大的成分波，窄而尖的波能譜代表波能集中在范圍較小的頻帶內(nèi)，其波浪比較有規(guī)律，例如涌浪的波能譜接近這類譜型；波能譜比較平緩，譜峰不突出代表波能較分散，波浪的不規(guī)則性較強(qiáng)，海上風(fēng)波的波能譜通常屬這類譜型。譜函數(shù)的特點(diǎn)：1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征非平穩(wěn)過(guò)程(寬帶)平穩(wěn)過(guò)程(窄帶)單頻過(guò)程(線譜)1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征50以上討論的為二因次波能譜，只局限于長(zhǎng)峰不規(guī)則波浪，即認(rèn)為波浪只沿單一方向傳播，

6、只有涌浪可近似認(rèn)為是屬長(zhǎng)蜂不規(guī)則波。實(shí)際上，海面的風(fēng)浪是來(lái)自多方向的不規(guī)則波浪混合而成，海面呈現(xiàn)小丘狀的波，即為三因次波或稱短峰波。三因次波能譜描繪風(fēng)波更接近實(shí)際，但這方面的研究還很不成熟。目前，在船舶工程領(lǐng)域，對(duì)海浪的描述仍然是以二因次波能譜為基礎(chǔ)。1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征50512.根據(jù)波浪觀測(cè)時(shí)歷計(jì)算波浪譜1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征已知波浪觀測(cè)時(shí)歷，計(jì)算得到相應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)，根據(jù)Wiener-Khintchine定理計(jì)算獲得相應(yīng)的能量譜密度函數(shù)。應(yīng)用快速傅立葉變換方法(FFT)，對(duì)波浪

7、觀測(cè)時(shí)歷進(jìn)行時(shí)頻域變換。得到各頻率波浪分量的平方即為波浪譜。50512.自相關(guān)函數(shù)定義自相關(guān)函數(shù)是用以描述隨機(jī)過(guò)程此時(shí)刻與彼時(shí)刻的相似程度的函數(shù)。1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征50自相關(guān)函數(shù)的特點(diǎn)：自相關(guān)函數(shù)可正可負(fù)。自相關(guān)函數(shù)在t=0處有最大值：自相關(guān)函數(shù)為偶函數(shù)：1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征3.Wiener-Khintchine定理定理1：能量譜密度函數(shù)等于自相關(guān)函數(shù)的傅立葉變換。定理2：自相關(guān)函數(shù)等于能量譜密度函數(shù)的傅立葉逆變換。1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征雙邊譜－單邊譜1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分

8、布特征寫(xiě)出自相關(guān)函數(shù)的離散表達(dá)式兩式比較可見(jiàn)1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征50數(shù)字化的波浪觀測(cè)子樣海洋調(diào)查船，波浪觀測(cè)站，衛(wèi)星遙感遙測(cè)給定能量譜密度函數(shù)，根據(jù)定理2可以計(jì)算得到相應(yīng)的自相關(guān)函數(shù)，進(jìn)而分析計(jì)算得到波浪運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)過(guò)程。水池中造波單元波振幅1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征于是，可以得到根據(jù)均方根波高的定義，有則可以得到均方根波高同能量譜密度函數(shù)的關(guān)系：均方根波高：4.用譜函數(shù)表達(dá)的統(tǒng)計(jì)特征1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征其中為能量譜密度函數(shù)的譜矩。1.3波浪運(yùn)動(dòng)的能量分布特征常用的