4-2海洋工程环境 波浪
海洋工程环境学14
波 浪 力
G
z
,
kd
ch
kd 1 ch kd
z
zz d
11
3
• Morison方程
作
用 在 小
fx
1 2
Cd Au
u
Cmu
尺
度
式中：u 波浪诱导水质点水平速度分量，
构 件
u 波浪诱导水质点 水平加速度分量。
上 旳
A D 1 为单位长圆柱迎流面积。
波 浪
D2 1 为单位尺度圆柱排
力
坐标系：xoz: ox 在静止水面，沿流方向； oz 垂直静止水面对上。
？ 求解问题：水流作用在单位长度圆柱上旳水平力和横向力
3
3. 作用在小尺度构件上旳波浪力
• 水平力：
fx
1 2
Cd DVx2
式中：D为桩柱直径，Vx为流速，Cd为相当于迎流面积旳阻
力系数， 为水密度。
阻力系数：
Cd
f
Re
相对粗糙度
和Keulegan-Carpenter
数 旳函数。.
K k/D
波 浪
Sarpkaya 对于有关旳水动力系数提供了试验
力
成果，可供设 计中使用。
21
3 作 用 在 小 尺 度 构 件 上 旳 波 浪 力
D2 T
22
3
作
用
在
小
尺
度
构
件
上
旳
波
浪 力
Re, K : Cl 0.2
23
3
6
3. 作用在小尺度构件上旳波浪力
7
3. 作用在小尺度构件上旳波浪力
1. Phillips 5. Gerrard 9. McGregor 13. Jordan et al. 17. Goldman
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
波浪试验方案
波浪试验方案1. 引言波浪试验是一种常用于测试和评估船舶、海洋工程结构和海洋设备在海上环境中的性能的方法。
通过模拟真实海况中的波浪情况，可以对船舶和海洋结构的耐波性能进行验证。
本文档将介绍波浪试验的基本原理、试验方案设计、试验过程和数据分析。
2. 波浪试验原理波浪试验的原理是通过产生波浪环境，模拟真实海况下的波浪情况。
通常使用波浪发生器产生波浪，并通过机械装置传递给试验模型。
试验模型可以是船舶模型、海洋结构模型等。
波浪试验的目标是测量试验模型在波浪作用下的运动响应和结构应力，从而评估其性能和稳定性。
3. 波浪试验方案设计波浪试验方案设计是波浪试验的重要部分，其设计要考虑到试验目标、试验模型和波浪发生器的特性。
以下是一般的波浪试验方案设计步骤：3.1 确定试验目标根据试验的目的和需求，确定试验要评估的性能指标，例如船舶的稳定性、操纵性等。
3.2 选择试验模型根据试验目标和需求，选择适合的试验模型。
试验模型可以是完整的船舶模型，也可以是部分结构模型。
3.3 确定波浪特性根据试验需求和试验模型的特性，确定需要模拟的波浪特性，例如波高、波长、波速等。
3.4 设计波浪发生器根据确定的波浪特性，选择合适的波浪发生器类型和参数，例如波浪槽、波浪板等。
确保波浪发生器能够产生符合试验需求的波浪。
3.5 设计测量系统根据试验需求，设计合适的测量系统，用于测量试验模型的运动响应和结构应力。
测量系统包括传感器、数据采集设备等。
3.6 确定试验条件和程序根据试验目标和设计，确定试验的具体条件和程序，包括波浪特性、试验模型的初始状态、试验持续时间等。
4. 波浪试验过程波浪试验通常包括以下步骤：4.1 准备工作包括将试验模型放置在试验设备上、连接测量系统，确保各部分正常工作。
4.2 设置试验条件根据试验方案确定的试验条件，设置波浪特性、试验模型的初始状态等。
确保试验环境符合试验需求。
4.3 开始试验启动波浪发生器，开始产生波浪。
海洋工程环境波浪
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
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
《海洋工程波浪力学》课程教学大纲
本科生课程大纲课程属性：公共基础/通识教育/学科基础/专业知识/工作技能，课程性质：必修、选修一、课程介绍1.课程描述海洋工程波浪力学，是研究波浪及波浪对海洋工程结构物的作用力的分析和计算方法的一门科学。
本课程针对船舶与海洋工程专业三年级学生进行开设，主要学习线性波浪理论、非线性波浪理论、随机波浪理论以及波浪的作用力计算等。
通过课程学习，要求学生掌握线性波浪理论及小尺度结构物波浪力的计算方法，能够利用这些理论及方法对实际问题进行建模、分析和求解，进而提升对波浪力学的理解。
2.设计思路本课程以波浪理论和波浪力计算为主线，结合工程实际问题进行多媒体授课，为海洋平台结构等课程设计提供基础训练。
课程内容主要包括三个模块：确定性波浪理论、随机波浪理论、波浪力计算，这三方面密切联系、前后呼应。
确定性波浪理论部分主要包括线性波浪理论和非线性波浪理论，其中线性波浪理论是学习基础，要求全面重点掌握深水波、有限水深和浅水波浪的基本特性，在此基础上，了解常见的非线性波浪理论的特性，进而掌握波浪理论的适用范围。
随机波浪理论主要从随机过程角度描述波浪的特性，重点掌握随机波的时域特性- 1 -和频域特性，从而为海洋工程结构动力分析提供基础。
波浪力的计算部分主要包括小尺度和大尺度结构波浪力计算。
要求全面掌握小尺度结构物波浪力计算方法（莫里森公式），在此基础上，理解大尺度波浪力计算的基本原理。
3. 课程与其他课程的关系先修课程：理论力学、流体力学。
本课程是工科力学类课程的重要组成部分，是海洋工程类专业流体类课程群的重要组成部分，与流体力学、海洋工程环境等课程构成了船舶与海洋工程专业工程环境课程群。
二、课程目标本课程的任务是通过各种教学环节，使学生掌握波浪的基本知识、原理和波浪对海洋工程结构物作用力的计算方法，最终使学生对海洋工程中的波浪力学问题有一定的了解，以助于从事海洋工程的规划、设计、建造和研究工作。
（1）了解非线性波浪理论、波浪的传播与变形以及大尺度结构物波浪力的计算；（2）掌握线性波浪力学、小尺度结构波浪力的计算以及随机波浪理论相关知识；（3）培养学生运用波浪理论和波浪力计算方法进行一些基本计算的能力，为课程设计、毕业设计及科学研究提供基础。
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
海洋工程波浪力学教学设计
海洋工程波浪力学教学设计课程目标本课程主要介绍海洋工程波浪力学的基本理论、研究方法和应用技术，培养学生掌握波浪力学基本理论和方法，了解波浪应用技术的前沿和发展趋势，具有实际应用能力和创新能力。
教学内容1.波浪基本概念2.波形和波动方程3.一维波浪理论4.波浪测量和预测5.波浪与结构的相互作用及其应用6.海岸工程波浪问题教学方法1.讲授理论知识2.课堂练习3.讨论案例分析课堂设计第一节课教学内容•波浪基本概念•波形和波动方程教学目标•了解波浪基本概念和波形和波动方程的基本理论知识。
•掌握三种波的类型和波浪的频率、波速等基本特性。
教学方法1.讲授理论知识2.课堂练习3.讨论案例分析教学流程1.引入：让学生了解海洋工程波浪力学的基本概念和重要性。
2.讲解波的基本概念和术语。
3.介绍三种波的类型和波浪的频率、波速等基本特性。
4.解释波形和波动方程的概念和意义。
5.让学生完成几个练习题，检验掌握程度。
第二节课教学内容•一维波浪理论•波浪测量和预测教学目标•了解一维波浪理论和波浪测量和预测理论。
•理解波浪预测的方法和技术。
教学方法1.讲授理论知识2.课堂练习3.讨论案例分析教学流程1.引入：让学生了解One-dimensional Wave Theory的产生背景和意义。
2.讲解一维波浪理论的基本原理。
3.介绍波浪测量和预测的方法和技术。
4.分析波浪预测的实际应用和前沿。
5.让学生完成几个练习题，检验掌握程度。
第三节课教学内容•波浪与结构的相互作用及其应用•海岸工程波浪问题教学目标•了解波浪与结构的相互作用及其应用。
•掌握海岸工程波浪问题解决的方法和技术。
教学方法1.讲授理论知识2.课堂练习3.讨论案例分析教学流程1.引入：让学生了解波浪与结构相互作用及其应用的数量和重要性。
2.介绍波浪与结构相互作用的基本原理。
3.讲解海岸工程波浪问题的解决方法和技术。
4.分析波浪与结构相互作用及其应用的实际应用和前沿。
5.让学生完成几个练习题，检验掌握程度。
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。
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
海洋工程装备的环境适应性与抗风浪性能研究
海洋工程装备的环境适应性与抗风浪性能研究近年来，随着人类对海洋资源的开发和利用不断增加，海洋工程装备的研究和开发也日益重要。
然而，海洋环境的复杂性和恶劣性给装备的使用带来了巨大的挑战。
因此，研究海洋工程装备的环境适应性和抗风浪性能是提高装备的可靠性和安全性的关键。
海洋环境的适应性是指海洋工程装备在各种海况下依然能够正常工作。
海洋环境的特点包括波浪、洋流、海浪、水下气体和生物等，这些环境参数会对装备的性能产生重要影响。
因此，研究装备的动力学响应以及与环境参数的相互作用是了解装备行为和预测其性能的关键。
目前，采用数值模拟和实验测试相结合的方法来研究装备与海洋环境的相互作用已经成为主流。
数值模拟可以提供装备在不同环境下的运动和受力情况，而实验测试则可以验证数值模拟的准确性。
通过这种研究方法，可以评估装备在不同环境下的性能，并确定装备的设计参数和运营条件，以提高海洋工程装备的环境适应性。
抗风浪性能是指海洋工程装备面对强风浪的能力。
风浪是海洋环境中最常见和最具破坏性的自然力量之一，装备在面对强风浪时必须能够保持稳定并防止受到破坏。
为了提高装备的抗风浪性能，需要对其结构和运动进行优化设计。
研究发现，装备的形状和材料对其抗风浪性能具有重要影响。
例如，通过减小装备的侧面积、增加装备的重心高度以及使用抗风浪材料等方法可以提高装备的稳定性和抗倾覆能力。
此外，还可以通过安装附加装置如风浪阻尼器、抗浪刀片等来增加装备的抗风浪能力。
除了结构和材料的优化设计外，控制系统的设计也是提高装备抗风浪性能的关键。
控制系统可以通过调整装备的运动来抵抗风浪的影响。
目前，常用的装备控制系统包括主动控制和被动控制两类。
主动控制系统通过实时检测环境参数和预测风浪的行为来控制装备的运动，以使其保持稳定。
被动控制系统则是通过调整装备的几何形状和质量分布来增加其稳定性。
这些控制系统的设计需要充分考虑装备和环境的特点，以提高装备的抗风浪性能。
除了结构和控制系统的优化设计外，装备的维护和保养也是提高其环境适应性和抗风浪性能的关键。
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25
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海洋与土木工程学院26
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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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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
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 ：
H 1/n 2 H
误差函数
ln n n(1 erf ln n )
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
反映某给定波高值在波列中的出现概率
f X ( 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
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
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。
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
1 T N
T
i 1
N
i
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
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； 平均周期: 所有周期的平均值
《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)
合田推荐的最大波高：
Hmax (1.6 ~ 2.0) H1/3
• 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 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%
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
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
n F 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
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
H 1 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 ：
H max 0.706( ln N ) 1.07 lg10 N H 1/3 2 ln N
欧拉常数＝0.5772
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