海洋結構物水動力學

研究海洋環境條件下結構物的水動力問題，包括海洋結構物在波浪和流作用下的外載荷以及結構物的響應和安全性問題。 海洋結構物指海洋石油平台 （見彩圖）、消波岸、 防波堤、海上機場、 海上工廠等工程，海浪、海流、潮汐、鹽分差、温差等能源吸取和利用裝置，深水採礦和抑制海面油污的設備。海洋結構物的環境條件一般包括：風、浪、流、潮汐、水深、地形、冰、地震等，其中與水動力有關的主要環境條件是波浪和流，但也必須考慮直接與波浪的變形有關的水深和地形。海洋結構物水動力學主要研究海洋結構物在生存條件和工作條件下的性能。生存條件是指海洋結構物在使用期內可能遇到的最危險海況,一般是取50年、100年一遇的環境條件極值；工作條件是指所在海區中出現概率較多的海況。工作條件與生存條件不同，非線性問題不突出，可用線性疊加原理和概率論來處理。海洋結構物按照同海岸的距離可分為海岸結構物和離岸結構物。海洋結構物目前有兩類：固定式和可移動式。固定式海洋結構物可分為樁基式和重力式兩種；可移動式海洋結構物可分為浮動式、半潛式和潛水式三種，其中浮動式和半潛式海洋結構物又可分為有繫泊和無繫泊兩種。

它是自由表面流動理論的一種，已在水利工程和船舶耐波性研究中應用多年。 海洋工程的飛速發展又給波浪理論的研究工作以有力的推動。海洋結構物的外載荷主要取決於波浪力（或力矩）的大小。為估算海洋結構物的波浪載荷而經常採用的波浪理論有正弦波理論和斯托克斯有限振幅波理論（見液體自由表面波）。前者計算方法簡單，可應用於譜分析計算；後者考慮了波浪的非線性， 主要應用於設計波法計算。此外，對淺水建築物，可用孤立波理論進行計算；在水深與波長之比在1/50至1/10範圍內，可採用橢圓餘弦波理論進行計算。

主要是與結構物運動加速度成比例的慣性力或慣性力矩，與運動速度成比例的阻尼力或阻尼力矩，與運動位移大小成比例的恢復力或恢復力矩，波浪力或力矩，流作用力或力矩。此外，還有由不同自由度運動的耦合運動引起的水動力。

莫里森等人在1950年提出作用在樁柱長度微元上的波浪力計算公式──莫里森公式：

式中dF為作用於樁柱長度微元ds的力；ρ為水的密度; U為垂直樁柱軸向的水質點瞬時速度；妧為垂直樁柱軸向的水質點加速度；A為樁柱截面面積；D為樁柱直徑；CD為阻力系數；Cm為慣性力系數。沿水質點速度和加速度方向作用於樁柱的總波浪力為：F=∫₀^η（dF/ds）ds,式中η為瞬時水位。

波浪和流一般總是同時作用於海洋結構物，所以需要研究結構物在波浪和流聯合作用下的水動力特性。一般都假定流是定常的，因而把流作用力作為定常力處理。

浮動式海洋結構物在波浪和流作用下的運動有六個自由度,包括三個線位移(分別稱為縱蕩、橫蕩和垂蕩）和三個角位移（分別稱為橫搖、縱搖和艏搖）。此外，還有由於與波高平方成正比的二階力造成的海洋結構物的長週期運動。

主要包括海洋結構物在海浪中的穩定性，由於甲板衝擊、上浪或由於疲勞、振動等導致海洋結構物失事等問題。

海洋結構物的下水和拖航研究海洋結構物下水、拖航至安裝地點所遇到的水動力問題。例如，下水和拖航時各種流體動力和穩定性問題。

包括對各種形狀的結構和構件羣(如數個相同的立柱)的水動力，並研究某些海洋結構物的樁柱或升管在流體中產生的旋渦和振動，以及與平台運動有關的粘性阻尼等粘性水動力問題。

用來探討海洋結構物在波浪中的性能，有設計波法、設計譜法、非線性時域分析法和隨機線性響應法。

設計波法是用假想的等效規則波代替實際不規則波。前者的週期和波長可由後者的週期和波長的觀測值來確定。此法簡單,便於考慮波浪外載荷的非線性因素,可用非線性波理論計算水質點的速度和加速度，並可簡單地估算流的影響。此法廣泛用於海洋結構物初始設計。

設計譜法是採用譜分析的方法。首先從長期海浪觀測資料中，求出最大波所對應的有效波高和週期，由此確定設計譜；再利用與船舶耐波性理論相似的方法求出響應譜，進而求出響應的極值。此法運用了線性疊加原理。對浮動式海洋結構物等多用此法計算。

非線性時域分析法是先從長期海浪觀測資料中求出設計譜，再用時域分析法求出響應的極大值。所謂時域分極法乃是通過系統的脈衝響應函數和輸入的時間歷程求輸出時間歷程的方法。此法的優點是：可以考慮不規則波的特性；可處理非線性現象；輸入波和輸出響應間的因果關係明顯;結果較為直觀。缺點是計算時間長;難以考慮頻率對各水動力的影響。

隨機線性響應法的理論基礎是線性疊加原理。往往由於在海洋結構物的設置海區缺少長年的波浪統計資料，而影響到此法的應用。

有二維水動力和三維水動力兩種計算法。在船舶耐波性研究中，對於船型剖面大部分採用二維水動力計算法，此法計算時間短，經濟實用。對三維形體的海洋結構物一般多用三維水動力計算法，多采用奇點分佈法求解三維速度勢，此法計算時間長，費用高。有限元法(FEM)逐漸在海洋結構水動力計算中得到應用，其優點是可適用於任何幾何形狀的結構物。用上述各種計算法不僅能求出海洋結構物的水動力，還可求出六個自由度的運動響應。此外，還有一些供計算用的經驗公式。

海洋結構物水動力實驗大都在海洋工程專用水池或船模實驗水池中進行，有構件實驗、整體模型實驗和實體實驗三種。構件實驗是研究立柱、沉箱、下船體、升管等的水動力特性的試驗。整體模型實驗是用一定縮比的海洋結構物整體模型，在滿足一系列相似條件下所進行的試驗；試驗時，利用水池製造波和流來模擬實際海洋的環境條件（工作條件和生存條件），通過試驗預報海洋結構物的外載荷、運動和安全性等。實體實驗是在實際海洋的環境條件下對海洋結構物直接進行試驗，以獲得真實資料，但時間長、費用高。

海洋結構物水動力學是由於海洋開發而形成的新興學科。不少國家正致力於興建或改建原有波浪水池以適應風、浪、流聯合作用下的試驗研究。理論分析方法正由頻域分析向時域分析方面發展，由一階響應向二階響應方面發展，從波頻響應分析到長週期運動方面發展等等。

1.T.Sarpkaya andM.Isaaoson,MechanicsofWave ForcesonOffshore Structures,Litton Educational Pub.,New York,1981.

2.哈勒姆等著,侯國才等譯：《海洋建築物動力學》,海洋出版社， 北京，1981。(M. G. Hallam, et al., DynamicsofMarine StructureEngineering Group, London,1977.)

3.高橋雄、佐尾邦久：海洋構造物の設計と海本造船學會志》，3月，1980。

4.藤井斉、前田久明、小林正典： 海洋構造物の運動推定法（Ⅰ），《日本造船學會志》，4月，1981。