海洋工程环境波浪
海洋工程环境 4-5海洋工程环境
原点于桩柱中心轴与ox轴交点。
6
• Morison方程
F Fd Fi
Fd为速度力。 Fi为惯性力。
dz长度上所受波浪力：
dF
dFd
dFi
Cd
1 2
u
u
A CmVu
式中：u波浪水质点水平速度分量，
u 波浪水质点 水平加速度分量。
A D dz 为dz长圆柱迎流面积。
V D2 dz 为dz尺度圆柱排水体积。
3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4.4 .4. 波浪破碎、反射和绕射
波浪破碎：波陡H/较高 波峰水质点速度≥波速
深水：Stokes 波 极限波陡(H/)max=0.142 浅水：极限波陡(H/)max=0.142tanhkh
极限波高(H/h)max=0.78 波浪破碎对海岸工程有很大冲击力和破坏性
反射：遇到岸壁或障碍物，部分反射或全反射（驻波）
海洋工程环境
1
4.4 .2. 波浪折射
波浪传至浅海近岸时，波速减小，引起波向变化
C2 sin 2 C1 sin 1
深水 浅水
h1 > h2
c1 > c2
1 > 2
波向趋向与等深线垂直，波峰线趋向与等深线平行
在浅水区波向线辐聚（海岬）， 波高会因折射增大；
在浅水区波向线辐散（海湾），波高会因折射减小 2
图5－22，5－23，5-24
圆柱表5－10，非圆截面表5－11 14
K 5 K 25 5 K 25
震荡流
惯性力为主要成分
准均匀流
阻力为主要成分
中间流
惯性力与阻力为成分相当
15
D 0.2 大尺度构件 绕射理论
海洋工程环境 4-1波浪
➢实验模拟:多次重复实验并分析 只能对部分波浪进行模拟
海浪要素
规则波：正弦或余弦的简谐波动
➢ 波形：海上的波浪大多成列前进，称为波动，并有不同的 波形 。理想化处理的规则波
➢ 波峰与波谷：波动的最高点称为 波峰 ，最低点称为 波谷 。
➢ 波高 H：波峰到波谷的高度称为 波高 。代表海浪能量 ➢ 振幅a：H/2 ➢ 波长λ：相邻的两个波峰(或 波谷 )间的距离称为 波长 。 ➢ 周期 T：一个波长的波通过一特定点所需要的时间称为 周
期。
➢ 波速C：波浪的传播速度 C=λ/T
➢ 圆频率 ： =2/T ➢ 波数 k ： k = 2/λ
《海洋工程环境》
第4章 海洋波浪
4.1 海洋波动
• 波浪运动是指海洋水表面在外界因素(风、天体引潮力、地震 等)作用下以及重力作用下的运动。
• 各种海洋波动：图5－1
➢毛细波：周期最小，能量很小，设计时不考虑。 ➢重力波：风作用引起，在重力这个恢复力的作用下做 垂直振荡。据观测T＝1～30s的海浪占海浪的大部分。 ➢周期大于5min的长周期波：主要是风暴及天体引潮力 引起的潮波，这些波带来的水位变化影响结构物的设计 高程
4.1 海洋波动
• 从结构物的结构强度、使用年限、建造成本出发，需考虑
➢所处海域的海浪的最大尺度 ➢海浪的方向特征 ➢出现频率 ➢季节特点
4.1.1海浪概述
风力是主要起因，一般分为：
•风浪：风直接驱动产生。 ➢方向与风向同。 ➢浪高、周期等与风速、作用风区范围等呈复杂的非线性关系。 ➢波形杂乱，时间上和空间上均呈随机变化
海洋工程环境课件07-1-海浪要素的统计分析,海浪谱2
gF 0.22 ) 2 U10
为量纲为一的常数
F为风区长度，
U10为海面上10m高处风速；
为峰形参数，取
或
=0.07 =0.09
m m
第17届ITTC推荐如下的JONSWAP波浪谱。并引入 有义波高h1/3和特征周期T1两个参数，并考虑 T1=0.834T0得：
频率 无关，只是组成波方向 的函数，如
G ( ) An cos n
一种简单的近似处理方法是假定方向分布函数 G 与
n
2 范围内传播与分布。 2 2
为方向分布参数， ，波浪能量在主波向 ；
2 An ITTC（国际船舶拖曳水池会议）建议取n=2， 8 An ISSC（国际船舶结构会议）建议取n=4， 3 。
2g S ( ) 6 exp( 2 2 ) U
式中：U为海面上7.5 m高处的风速。下图给出不同 风速下的Neumann谱分布。
2.4
2
海浪谱特征初步认识： 谱的能量集中在窄的频带内； 随着风速的增大，谱峰频率变小。
不同风速下的Neumann谱分布
② Pierson-Moscowitz谱(P-M谱)：根据北大西洋 1955～1960年间的观测资料进行谱分析得到，并被第11届 ITTC(国际船模水池会议)(1966)列为标准单参数谱。
不同风速下的P-M谱分布
③单参数谱不能合理表征非充分发展海浪特征，第15届 ITTC(1978)给出的频谱形式为：
S ( )
173H123 T 5
2m0 T m1
4
exp(
691
4T
4
海洋工程环境课件第5章 海洋波浪
5.1 海洋波动现象概述
海洋波浪
海洋中存在着各种形式的波动， 它既可发生在海洋的表面， 又可发生在海洋内部不同密 度层之间，有着不同的波动尺度、机理和特性，各种波动现象复杂。海洋波动是海水运动的 主要形式之一。 海洋表面总被形容为时而波涛汹涌，时而涟漪荡漾，呈现出一种复杂的波动现象。引 起海水表面波动的自然因素有很多， 如海洋表面受到风与气压的作用、 天体的引潮力及海底 地震与火山的作用等，它们引起的波动现象有不同的尺度，造成各种波动的周期、波高、波 长等波动特性的不同，各自具有不同的能量范围，对海洋工程结构的作用影响也不同。如图 5-1 所示。
5.1.1 海浪概述
海浪(Ocean Wave)是海洋中常见的一种自然现象，海面风力的作用是其起因，一般可将 海浪分为由风直接驱动产生的风浪 (Wind Wave)及由风浪随后发展形成的涌浪 (Swell) 两部 分。
1．海浪类型
风浪因受到海面风的直接作用，其传播方向基本与风同向。风浪的形成及其浪高、周期 等大小自然与风的状态，如海面作用风速的大小、作用风区( Fetch)的范围及作用风时(Wind Duration)的长短直接相关，它们相互间存在着很复杂的非线性关系，这些构成了海浪研究和 海浪预报的主要内容。此外风浪的产生还与作用海域的水深、地形等有关。风浪的波形外观 表现奈乱，背风面比迎风面更陡，波峰线较短，在时间上和空间上都表现为不规则的随机变
对于实际海面波动直接应用海洋观测仪器进行观测将是对现场海浪的真实记录此时的海面波动杂乱无章而可看作一个随机过程应用数理统计分析的方法可进行合理分析和研究并可得到海浪的运动方向特征其结果将反映现场实际海浪的运动情况其实测资料也可用于检验海浪理论为海洋工程设计提供最可靠的数据但观测仪器的精确度及大范围的现场观测带来的大量费用成本等是其主要制约
波浪理论以及工程应用
波浪理论以及工程应用什么是波浪理论？在海洋、湖泊等自然水域中，经常会出现波浪的现象。
波浪是指水面的起伏，并在水面上向外传播的现象。
波浪理论就是研究这种波浪现象的学科。
波浪的形成与传播需要满足一定的条件。
当水体受到外力的作用时，水面会出现起伏，从而形成波浪。
波浪的传播则与波长、波速等因素有关。
在波浪传播的过程中，波浪的形态会随着水深的变化而发生变化。
波浪理论的应用波浪理论在工程上有着广泛的应用。
下面我们来看几个例子。
1. 港口工程港口工程中，波浪对于港口的安全性和船只的靠泊都有着很大的影响。
因此，港口工程中需要对波浪进行精确的预测与计算，以确保港口的结构和设备能够承受来自波浪的冲击。
2. 海洋工程海洋工程中，波浪对于海上结构的稳定性和设备的使用有着很大的影响。
有些海洋工程需要直接面对风浪，如海上风力发电机和石油平台等。
因此，对波浪的预测和计算也是海洋工程中必不可少的一环。
3. 建筑工程建筑工程中，波浪对于桥梁、堤坝等结构的安全性和稳定性也有着很大的影响。
波浪的计算和预测可以为建筑工程提供重要的指导和依据。
波浪工程实例下面我们来看一个具体的波浪工程实例：海塘工程。
海塘是一个抵御海浪冲击和防护沿海环境的重要建筑物。
对于海塘的设计和施工，需要根据波浪的预测结果，确定海塘的高度、宽度等参数。
海塘的设计需要考虑海浪的影响，如波高、波长、波浪能量等，以及海塘的形状和地形等因素。
设计阶段需要对海岸线进行测量和分析，得到海岸线的形状和波浪的传播方向等信息，同时还需要对波浪的数据进行振动谱分析和波浪频谱分析等。
在施工阶段，需要按照设计图纸进行施工，检查海塘的高度、宽度等参数是否满足要求，以及海塘的强度和稳定性是否符合标准。
同时还需要对波浪进行监测和记录，以便后续维护和调整。
波浪理论是海洋、湖泊等自然水域中波浪现象的研究学科，其应用非常广泛，包括港口工程、海洋工程和建筑工程等领域。
波浪工程实例海塘工程也向我们展示了如何进行波浪的预测、计算和监测，以确保工程的安全和稳定性。
4-2海洋工程环境 波浪解析
TH1/3 (1.12 ~1.14)T
Example 4.3
A 2.2m B 2.6m C 2.18m D 1.83m E 2.0m
A 2.35m B 1.85m C 2.80m D 1.88m
4.1.3 海浪观测、预报
• 风浪波向与风向一致 • 观测内容：波高、波长、周期、波速、波型、波向、 海况 • 观测形式：目测（白天）；仪器（波高、周期、波向） • 观测时间，每隔3小时一次：2，5，8，11，14，17， 20，23时 • 每次一般17～20min，连续记录单波个数不少于100个， 同时测风速、风向和水深 • 海浪玫瑰图：一定时期的波向、波高大小和出现频率， 图5－4
1 H N
加权平均波高
H
i 1
N
i
H i ni H i 1 N N ni
i 1 Ki
N
ni为Hi的对应记录次数
不规则波海浪要素：统计特征
有义波高： 设有一系列观测波高，将其按由大到小排列， 其中最高的前N/3部分求平均，称之为1/3大波 平均波高，又称之为有效波高。
N 3
H S H1 3
3 Hi N j 1
表示波动的可视平均水平，与目测波高值相近。 有义周期：对应前N/3个波浪周期 取平均值。
不规则波海浪要素：统计特征
1/10大波波高：
设有一系列观测波高，将其按由大到小排列，
其中最高的N/10部分求平均，亦称显著波高。
N 10
H1 10
10 Hi N j 1
1/10大波周期：对应前N/10个波浪周期 取平均值。
中国近海海浪特征
• 大陆季节性气候的影响，海浪表现出季节性。 • 浪向取决于风向，冬季偏北浪，夏季偏南浪，春秋浪 向不稳定 • 冬春多出现寒潮、温带气旋，夏秋多出现台风和热带 风暴 • 浪高季节性变化。冬季风速>夏季，冬季平均浪高>夏 季，冬季风浪周期>夏季 • 南方平均浪高>北方，南海出现大浪次数最多 • 冬季：渤海最大波高达7m，黄海9m，东海11m，南海 10m • 各地波浪平均周期4～6s
海洋工程环境 4-2波浪
H N Hini i1 N
ni为Hi的对应记录次数
Ki
N ni i1
设有一系列观测波高，将其按由大到小排列， • 有义波高：其中最高的前N/3部分求平均，称之为1/3大波
平均波高，又称之为有效波高。
N
HS
H1 3
3 N
3
Hi
j 1
表示波动的可视平均水平。
有义周期：对应前N/3个波浪周期 取平均值。
设有1000个波高，将其按由大到小排列，若第 10个（F=10/1000=1%）最大波高为5m，则称累 积率1%的波高为5m,记做
H1% 5m
• 最大波高Hmax：记录中的最大波高值或重现期为50年或100年 的最大波高值。
• 最大周期THmax 对应最大波高的周期 。
•各种特征波都用于描述海面波动情况 •我国以十分之一大波将海浪分为10个等级 ，P91表5－3
• 1/10大波波高： 设有一系列观测波高，将其按由大到小排列， 其中最高的N/10部分求平均，亦称显著波高。
N
H1 10
10 N
10
Hi
j 1
1/10大波周期：对应前N/10个波浪周期 取平均值。
• 累积率波高HF：累积率F对应的波高。
大于等于HF 的波高值的出现概率为F
F n N
n为波高值大于等于HF 的出现次数。
(2) 平均波高 H 与部分大波平均波高H1/n的换算 ： H1/n 2 ln n n(1 erf ln n)
H
误差函数 表5－2，相应的各部分大波平均波高可相互换算
(3) 根据以上两式，得到
累积率波高与部分大波平均波高H1/n的换算
(4) 最大波高为随机变量，当N很大时 ：
海洋工程中的波浪力学与海洋工程结构设计
海洋工程中的波浪力学与海洋工程结构设计引言海洋工程是指在海洋中进行各种工程活动的学科领域，其中波浪力学是海洋工程中的重要一环。
波浪力学研究的是波浪的形成、传播和相互作用等现象，对于海洋工程结构的设计与运营具有重要意义。
本文将从波浪力学的基本原理出发，探讨其在海洋工程结构设计中的应用。
波浪力学的基本原理波浪是由于海水受到风力或其他作用力的影响而引起的涌动现象。
波浪力学研究的核心问题是描述波浪的传播和变形过程，其中包括波长、波速、波高、波浪的周期等参数的计算与分析。
根据波浪传播的特性，我们可以将波浪分为线性波浪和非线性波浪。
在海洋工程中，波浪力学的研究主要关注以下几个方面：1. 确定设计波浪。
设计波浪是指根据海洋工程的具体需求，确定适应该工程的波浪参数，如波高、波长和波速等。
这些参数的选择将直接影响到工程结构的稳定性和承载能力。
波浪力学的研究可以通过采集波浪数据和对观测数据进行分析，确定适当的设计波浪参数。
2. 分析波浪与结构相互作用。
在海洋工程中，结构与波浪之间的相互作用是一个复杂而关键的问题。
波浪的冲击力和结构的响应将直接影响到工程的安全性和稳定性。
因此，研究波浪与结构相互作用的力学过程，对于合理设计和优化海洋工程结构具有重要意义。
3. 研究波浪抑制和适应性设计。
某些特殊的海洋工程需要通过合理的设计来减小波浪对结构的影响，或者通过适应性设计来使结构能够适应波浪的作用。
这种适应性设计可能涉及到材料、结构形式以及波浪的传播路径等多个方面。
通过研究波浪力学，可以提供理论依据和技术支持，为波浪抑制和适应性设计提供有效的方案。
海洋工程结构设计中的波浪力学应用在海洋工程结构设计中，波浪力学的应用通常包括以下几个方面：1. 结构的防波设计。
一些海洋工程结构如港口防波堤、海洋平台等需要在设计过程中考虑波浪力学因素。
通过研究波浪的传播规律和结构的抗波能力，可以确定结构的尺寸、形状和材料等，以确保其在波浪环境下的稳定性和安全性。
海洋工程中的波浪测量技术研究
海洋工程中的波浪测量技术研究概述海洋工程涉及到包括波浪在内的海洋环境参数的测量与监测。
波浪测量技术是海洋工程领域的重要组成部分，能够提供必要的数据支持，用于设计、建设和维护海洋工程项目。
本文将探讨海洋工程中的波浪测量技术的研究进展。
波浪测量技术的重要性波浪是海洋中波动的水体，对海洋工程起着至关重要的作用。
波浪的能量传播和振荡性质直接影响到海洋结构物的稳定性和可靠性。
通过准确的波浪测量技术，可以提供波浪参数的详细信息，如波高、周期和波向，从而为海洋工程项目的设计和建设提供必要的数据支持。
波浪测量技术的发展历程随着科技的进步，波浪测量技术也在不断发展。
最早的波浪测量技术是通过人工观测站点建设海上浮标，利用测量仪器对波浪形态进行观测和记录。
这种方法对于人员安全和设备可靠性存在一定风险，并且只能获得有限的数据。
随着雷达技术的发展，微波雷达开始应用于波浪测量领域。
通过测量传播回波的时间延迟和波面特征，可以精确地反演波浪的参数。
近年来，随着激光扫描测高技术的发展，其应用范围扩大到海洋工程。
激光扫描测高技术能够提供高分辨率的波浪测量数据，具有较高的精度和可靠性。
常用的波浪测量技术在海洋工程中，常用的波浪测量技术可以分为直接测量和间接测量两类。
直接测量技术通过在测量点上安装传感器直接测量波浪的特征参数。
常见的直接测量技术包括压力传感器、加速度计、浮标和浮子等。
这些传感器可以实时测量波浪的参数，并能够提供高精度的数据。
间接测量技术主要基于波浪与测量设备之间的相互作用，通过观测物体的运动、回波的反射特性等来测量波浪的参数。
这些方法包括激光测高法、雷达测量法和声学测量法等。
这些技术能够提供全方位的波浪信息，并是大规模波浪测量的理想选择。
波浪测量技术的应用波浪测量技术在海洋工程中具有广泛的应用。
在海洋油气勘探和开发中，波浪测量可以提供浪高、浪向等信息，帮助评估海洋作业的可行性和安全性。
在海洋风电场的建设和运营中，波浪测量技术可以提供风浪条件的详细数据，用于风电机组和海洋结构物的设计和维护。
海洋工程环境课件06-1-各种深水波和浅水波的数学描述2
小振幅波理论适用于波陡较小的深水区与过渡水深区，同时是 研究随机海浪的理论基础，对它的研究最早也最成熟。对于波陡较 大的有限振幅波，深水中适用于斯托克斯高阶波理论，现多采用3阶 理论或孤立波理论，由McCowan给出的相对极限波高（其破碎界限） 为
H2 U 3 26 h
H 0.78 h max
m趋近于1
2013/11/21
海洋工程环境
26
绘图
0.03
0.02
0.01
0.00
-0.01
-0.02 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4
x
2013/11/21
海洋工程环境
27
2013/11/21
海洋工程环境
28
Question ？
2013/11/21 海洋工程环境 29
孤立波的波长和波周期都趋于无穷大 双曲正割
sec hx 1 2 x chx e e x
H / h U 2 在椭圆余弦波理论中，一般用厄塞尔参数 H /
3
H2 3 h
来表示波陡与相对波高对波浪运动的影响。有学者认为厄 塞尔参数U>26及相对水深h/L<1/8是椭圆余弦波的适用范 围。
44浅水非线性波理论441椭圆余弦波理论简介椭圆余弦波1阶近似解的波面方程为cn为雅可比椭圆余弦函数ke水底到波峰距离水底到波谷高度不同模数决定着不同的波面曲线形状与波要素之间有如下关系给定lh和h求得波面形状类似微幅波的浅水余弦波当模数1时波面方程变为转化为孤立波孤立波的波长和波周期都趋于无穷大chxhxsec双曲正割在椭圆余弦波理论中一般用厄塞尔参数来表示波陡与相对波高对波浪运动的影响
4.4.2 孤立波理论简介
03.海洋工程环境学 海洋环境因素分析
0.1 海洋环境因素分析
没有其它资料时，可近似认为 浪级≈风级-1
12
9
0.1 海洋环境因素分析
13
9
1.2 波浪运动的统计特征
波浪运动的随机性
• 右图是根据从两架飞机
上拍摄的海面立体照片
而绘制的两张海面等高
线实例。可以看出，波
浪的特征在时间、空间
的变化都非常复杂的。
• 上述两张图是从连续拍 摄的照片中选出的等高
15
1.2 波浪运动的统计特征 单个波浪的特征描述
波高 H： 波峰到相邻部分波谷的垂直空间距离；
过零周期 Tz： 上过零点到相邻上过零点的水平时间距离；
波面瞬时升高 (t)： 在时间轴上 t 时刻的波面垂直空间距离；
波向：波浪传播运动的主方向。
16
1.2 波浪运动的统计特征
• 采样：
波高 H 和周期 TZ： Hi ;TZi
2Hrms ,
Hrms p HS 0.38, P HS 0.86
36
1.4 波高的概率特征
6) 最大波高（累计率波高）
1 P H1 N
exp
H1 N H rms
2
1 N
H1 N
LnN H rms
1 2 lnN H S
PH
H 0
pH
dH
1
exp
H H rms
2
30
1.4 波高的概率特征
3. 特征波高 利用平稳的各态历经的随机过程的概率密度函数可以确定 各种特征波高。 1) 零波高
海洋工程环境学01
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海洋与土木工程学院24
1.3.5 分类-按波浪破碎与否
破碎波，未破碎波和破后波
此外根据波浪运动的运动学和动力学处 理方法，还可以把波浪分为微小振幅波(线 性波)和有限振幅波(非线性波)两大类。。
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海洋与土木工程学院13
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海洋与土木工程学院14
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海洋与土木工程学院15
1.3.3 分类-按波浪传播海域水深
深水波 : h/L≥0.5 有限水深波 0.5＞h/L＞0.05。 浅水波 h/L≤0.05
其中h为水深，L为波长,
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轮等等
海洋与土木工程学院19
记录，分析，总结，整理的工具，讨论并解释知识，有图片的，没图片的， 硬皮的，软装订的，有护封的，没护封的，有前言，简介，目录，索引， 用于人类大脑的启示，理解，改进，加强和教育，通过视觉实现，有时也 用触觉
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海洋与土木工Pa程ge学20院20
1.3.4 分类-按波浪运动形态
涌浪是在风停以后或风速风向突然变化，在原来的海区
涌 浪 内剩余的波浪，还有从别的海区传来的海浪。涌浪的外
形圆滑规则，排列整齐，周期比较长；
近岸浪
风浪和涌浪传到海岸边的浅水地区变成近岸浪。在水 深是波长的一半时，海浪发生触底，波谷展宽变平， 波峰发生倒卷破碎。
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7
海洋与土木工程学院7
Life History of Ocean Waves
海洋工程中的波浪力学分析
海洋工程中的波浪力学分析海洋工程是指利用海洋资源的工程领域，其中包括海洋资源开发、海洋环境保护和海洋工程建设等方面。
在海洋工程中，波浪力学分析是一项重要的技术，它可以帮助工程师们更好地了解并解决波浪对海洋结构物的影响问题。
波浪力学分析涉及到波浪的发生、传播、传递和相互作用等过程。
在海洋工程中，波浪力学分析的主要任务是确定海浪的参数，如波高、波长、波速等，以及波浪对海洋结构物的作用力和动态响应。
这些参数的准确预测是设计安全可靠海洋结构物的基础。
为了进行波浪力学分析，工程师们需要收集、整理和分析大量的数据。
他们需要对当前研究领域的最新进展和成果进行了解，以及研究和掌握相关的数学和统计方法。
在这个过程中，工程师们需要充分利用现代科技手段和计算工具，如数值模拟和计算机辅助设计等，以提高分析的准确性和效率。
波浪力学分析的一个重要应用是海洋结构物的抗波性能评估。
在海洋工程中，结构物需要能够承受来自波浪的作用力，并保持稳定和安全。
因此，工程师们需要进行波浪加载的分析，以确定结构物在不同波浪条件下的受力情况。
通过这种分析，工程师们可以评估结构物的强度和稳定性，并进行必要的设计和改进。
除了抗波性能评估，波浪力学分析还可用于海洋结构物的动力响应预测。
在海洋环境中，结构物会受到来自波浪的激励，从而引起结构物的振动和变形。
通过波浪力学分析，工程师们可以预测结构物的动力响应，包括振动幅值、频率和模态形态等，从而确定结构物的可靠性和舒适性。
在波浪力学分析中，工程师们需要考虑到波浪的复杂性和不确定性。
海洋环境中的波浪是多变的，受到许多因素的影响，如风速、海流、地形等。
另外，波浪的传播和相互作用等过程也非常复杂。
因此，工程师们需要使用适当的数学模型和方法来模拟和预测波浪的行为，并进行合理的不确定性分析。
总之，波浪力学分析在海洋工程中具有重要的意义。
它可以帮助工程师们了解波浪对海洋结构物的影响，并预测结构物的抗波性能和动力响应。
海洋工程中的波浪力学与海洋工程结构设计研究
海洋工程中的波浪力学与海洋工程结构设计研究引言在过去的几十年里，海洋工程已成为人类探索和利用海洋资源的重要途径。
随着科技的发展，越来越多的人们开始关注海洋工程中的波浪力学和海洋工程结构设计研究。
本文将从波浪力学的基本概念开始，逐步探讨其在海洋工程中的应用，并介绍海洋工程结构设计研究的重要性。
波浪力学的基本概念波浪力学是研究波浪在自然界传播和相互作用的学科。
波浪是海洋中非常常见的现象，其传播过程受到多个因素的影响，包括风力、重力、地球自转等。
波浪力学的研究对于海洋工程的设计和实施具有重要的指导意义。
波浪力学在海洋工程中的应用1. 海洋能源开发波浪能、潮汐能等海洋能源具有巨大的潜力。
波浪力学的研究可以帮助我们更好地了解波浪的形成和传播规律，从而为海洋能源的开发提供科学依据。
通过对波浪的测量和数值模拟，可以选择适合不同地区的海洋能源开发方式，并设计相应的设备和结构。
2. 海岸工程海岸工程是保护海岸线、港口和船坞等重要设施的工程。
波浪力学对于海岸工程的设计和施工具有重要的指导作用。
研究人员根据波浪形成与传播规律，结合液体力学原理和材料力学等知识，设计出能够抗击波浪冲击和侵蚀的海岸工程结构，并保证其稳定性和耐久性。
3. 海上风电场海上风电场的建设是解决能源短缺和减少化石燃料消耗的重要举措。
在海洋工程中，波浪力学的研究可以为海上风电场的设计提供基础数据，例如波浪的能量分布和波浪荷载。
通过合理地利用波浪能量和预测波浪荷载，可以提高海上风电场的设计效率和安全性。
海洋工程结构设计研究的重要性海洋工程结构设计研究是保证海洋工程安全性和可持续性的关键。
由于海洋环境的复杂性和恶劣性，海洋工程结构设计必须考虑多种因素，包括波浪荷载、海流、地质条件等。
通过深入研究这些因素对海洋工程结构的影响，并运用结构力学和材料力学等知识，可以设计出更加安全可靠的海洋工程结构，减少事故发生的可能性。
结论波浪力学和海洋工程结构设计研究在海洋工程领域具有重要的地位和作用。
06.海洋工程环境学
A= 173h1 3 T4
2
B=
691 T4
S (1.0) =
− 691 4 7 ⋅ exp 7 = 0.6485 × 0.7499 = 0.4863 1.0 4 1 .0 5
4
H C = 10
− B
ξ
+ H0
[ H 0 , H C ,ξ ]σ
min
1.5 复习
1.5 设计波
• 海洋结构物设计寿命记作 TL(年)，一般为10，20，30年不等。 • 海洋结构物一生遭遇的极端海况的重现周期记作 TC (年)，规 范规定为100年。 100 • 在海洋结构物设计中将这个百年一遇的波称作设计波 设计波。 设计波 • 问题是：如何根据海洋结构物工作海域的波浪长期分布资料 如何根据海洋结构物工作海域的波浪长期分布资料 确定设计波的具体参数？ 确定设计波的具体参数？ • 波浪长期分布的依据是：
均方根波高：
2 2 H rms = ∑ H n = 8∑ S (ω n ) ∆ω n =1 n =1
∞
∞
则可以得到均方根波高同能量谱密度函数的关系：
H rms = 2 2∑ S (ω n ) ∆ω = 2 2m0
∞
谱矩。 谱矩 mn = ∫ ω S (ω ) dω 为能量谱密度函数的谱矩
n 0
∞
n =1
波动过程为外界输入能量所致，因此，波动过程本身是能量演变的过程。 随机过程可以为具有不同单频的规则过程以随机相位叠加构成：
第n个过程的频率； 为第n个具有常频的规则过程的幅值；
η ( t ) = ∑η (ω n ) = ∑ A (ω n ) cos (ω n t + ϕ n )
海洋工程环境 4-3波浪
浅水波：1/2>h/>1/25
h为水深
色散波
圆频率： 2
kg
tanh kh
2 g
tanh
2 h
表达了不同水深处水质点的震荡圆频率。
波速：
C2
g k
tanh
kh
g 2
tanh
2 h
表达了不同水深处波峰的传播速度。波速与波长有关，
波长：
gT 2 tanh kh
2
表达了不同水深处的波长。
色散（频散）关系
深水波（短波）：h/≥1/2 ， tanh kh 1
圆频率： 2 kg 2 g
波速：
C2 g g k 2
波速与波长有关，色散波
波长：
gT 2 2
色散（频散）关系
极浅水波（长波）：h/ ≤1/25 ， tanh kh kh
圆频率：
2 ghk 2
波速：
C2 gh
H 2
ch ks sh kh
sin
• 垂直位移度分量：
z
z0
t
0 wdt
H 2
sh ks sh kh
cos
6) 水深影响
• 对于深水：假定
kh 即 2 h
所以
h/>1/2
由于
ห้องสมุดไป่ตู้
shkh ch kh 1 ekh
2
和
thkh 1
有
ch ks ch kh
ch
kh
ch
kz sh ch kh
u
x
H
T
ch ks sh kh
cos
• 垂直速度分量：
w
z
H
4-2海洋工程环境波浪详解
• 利用海浪要素分布函数， 了解一个波系中波高和周期的分 布关系，进而换算各种特征值
• 服从瑞利（Rayleigh）分布的深水波特征波高的换算关系
(1) 平均波高 H 与累积率波高HF 的换算 ：
HF 4 1 ln( ) H F
表5－1，相应的各累积率波高HF 可相互换算 H1% Example 4.1 ? H 50%
深水波特征波高换算
• 复杂海浪由很多简谐波叠加而成，波面方程：
(t) n an (nt n )
n 1 n 1
• 波高服从瑞利（Rayleigh）分布，其概率密度函数：
f (H)
H
exp[ ] 2H 4H
2
H
2
深水波特征波高换算
TH1/3 (1.12 ~1.14)T
Example 4.3
A 2.2m B 2.6m C 2.18m D 1.83m E 2.0m
A 2.35m B 1.85m C 2.80m D 1.88m
4.1.3 海浪观测、预报
• 风浪波向与风向一致 • 观测内容：波高、波长、周期、波速、波型、波向、 海况 • 观测形式：目测（白天）；仪器（波高、周期、波向） • 观测时间，每隔3小时一次：2，5，8，11，14，17， 20，23时 • 每次一般17～20min，连续记录单波个数不少于100个， 同时测风速、风向和水深 • 海浪玫瑰图：一定时期的波向、波高大小和出现频率， 图5－4
《海上固定平台入级与建造规范》： 东海、南海的可能最大波高：
Hmax 2.0H1/3 (相应波数N 2000)
黄海、渤海的可能最大波高：
Hmax (1.53 ~ 2.0) H1/3 (相应波数N 100 ~ 2000)
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Hmax 0.706( H 1/3
ln N 2
) 1.07
ln N
lg10 N
欧拉常数＝0.5772
《海上固定平台入级与建造规范》： 东海、南海的可能最大波高：
Hmax 2.0H1/3 (相应波数N 2000)
黄海、渤海的可能最大波高：
Hmax (1.53 ~ 2.0)H1/3 (相应波数N 100 ~ 2000)
• 风浪波向与风向一致 • 观测内容：波高、波长、周期、波速、波型、波向、
海况 • 观测形式：目测（白天）；仪器（波高、周期、波向） • 观测时间，每隔3小时一次：2，5，8，11，14，17，
20，23时 • 每次一般17～20min，连续记录单波个数不少于100个，
同时测风速、风向和水深 • 海浪玫瑰图：一定时期的波向、波高大小和出现频率，
H
1 N
N
Hi
i1
加权平均波高
H N Hini i1 N
ni为Hi的对应记录次数
Ki
N ni i1
不规则波海浪要素：统计特征
设有一系列观测波高，将其按由大到小排列， 有义波高： 其中最高的前N/3部分求平均，称之为1/3大波
平均波高，又称之为有效波高。
N
HS
H1 3
3 N
3
Hi
j 1
fX (x)
F
HF
H
不规则波海浪要素：统计特征 最大波高Hmax： 记录中的最大波高值,或重现期为50年或100年
的最大波高值。
最大周期Thmax: 对应最大波高的周期 。
•各种特征波都用于描述海面波动情况 •我国以十分之一大波将海浪分为10个等级 ，P91表5－3
深水波特征波高换算
• 复杂海浪由很多简谐波叠加而成，波面方程：
平均周期: 所有周期的平均值
T
1 N
N
Ti
i 1
波高 Hi：相邻上跨零点之间的波峰顶与波谷底的垂直距离； 波长λi：相邻上（下）跨零点之间的水平距离。
不规则波海浪要素：统计特征
波高 ：波高代表海浪能量，自由波动海面具有各种不同波高 不同定义的波高代表不同的波系特征，称为特征波波高
平均波高：连续观测的各个波高求平均值，反映波列总体大小
合田推荐的最大波高：
Hmax (1.6 ~ 2.0)H1/3
海洋工程结构物多采用上述系数最大值
•浅水波波高分布复杂，多采用拟合对实测资料进行分析、表格 形式给出换算关系
•波长、周期：半经验半理论方法计算、海浪观测记录统计
•各特征周期和各特征波高没有对应关系,最大波高的波其周期不 一定最大 •各特征周期没有统一换算公式
合田推荐： THmax TH1/10 TH1/3 (1.1 ~ 1.3)T
我国经验公式 TH1/3 (1.12 ~ 1.14)T
Example 4.3
A 2.2m B 2.6m C 2.18m D 1.83m E 2.0m
A 2.35m B 1.85m C 2.80m D 1.88m
4.1.3 海浪观测、预报
不规则波海浪要素：统计特征
累积率波高HF： 累积率F对应的波高。
大于等于HF 的波高值的出现概率为F
F n N
n为波高值大于等于HF 的出现次数。
设有1000个波高，将其按由大到小排列，若第 10个（F=10/1000=1%）最大波高为5m，则称 累积率1%的波高为5m,记做 H1% 5m
反映某给定波高值在波列中的出现概率
图5－4
海浪预报
• 综合分析海浪状况和影响因子绘制海浪预报图 • 确定风区、风时、风速等风场要素，利用风况资料推
测海浪 • 风区：风的状态达到相对稳定的海域，风速、风向大
致一致，边界处风速、风向有较明显改变 • 风时：风持续作用时间 • 风速标准值：海面上10m高风速值 • 风场要素推算深水风浪特征波高：公式5－11～5－18
(t) n an (nt n )
n1
n1
• 波高服从瑞利（Rayleigh）分布，其概率密度函数：
f[
4
H H
2
]
深水波特征波高换算
• 利用海浪要素分布函数， 了解一个波系中波高和周期的分 布关系，进而换算各种特征值
• 服从瑞利（Rayleigh）分布的深水波特征波高的换算关系
H
误差函数 表5－2，相应的各部分大波平均波高可相互换算
(3) 根据以上两式，得到 累积率波高与部分大波平均波高H1/n的换算
Example 4.2
H1 10 ? H1 3
A 1.272 B 2.032 C 1.598
H1 10 ? H10%
A 1.272 B 1.0 C 1.188
(4) 最大波高为随机变量，当N很大时 ：
(1) 平均波高 H 与累积率波高HF 的换算 ： H F 4 ln( 1 ) H F
表5－1，相应的各累积率波高HF 可相互换算
Example 4.1
H1% ? H 50%
A 1.24 B 2.57
(2) 平均波高 H 与部分大波平均波高H1/n的换算 ： H1/n 2 ln n n(1 erf ln n)
表示波动的可视平均水平，与目测波高值相近。
有义周期：对应前N/3个波浪周期 取平均值。
不规则波海浪要素：统计特征 1/10大波波高： 设有一系列观测波高，将其按由大到小排列，
其中最高的N/10部分求平均，亦称显著波高。
N
H1 10
10 N
10
Hi
j 1
1/10大波周期：对应前N/10个波浪周期 取平均值。
不规则波海浪要素：统计特征 波剖面：随时间变化的波动过程曲线 横轴代表时间t，称为零线 上跨零点：向上与零线的交点 下跨零点：向下与零线的交点
波峰： 相邻上下跨零点之间的曲线最高点； 波谷：相邻上下跨零点之间的曲线最低点；
不规则波海浪要素：统计特征
周期 Ti： 相邻上跨零点（或下跨零点）之间的时间间隔；
中国近海海浪特征
• 大陆季节性气候的影响，海浪表现出季节性。 • 浪向取决于风向，冬季偏北浪，夏季偏南浪，春秋浪
向不稳定 • 冬春多出现寒潮、温带气旋，夏秋多出现台风和热带
风暴 • 浪高季节性变化。冬季风速>夏季，冬季平均浪高>夏
季，冬季风浪周期>夏季 • 南方平均浪高>北方，南海出现大浪次数最多 • 冬季：渤海最大波高达7m，黄海9m，东海11m，南海
10m • 各地波浪平均周期4～6s