CAESAR II 水力载荷技术说明 - CAESAR II - 帮助

CAESAR II 用户指南

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中文 (大陆)
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CAESAR II
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CAESAR II Version
12

定义流体载荷所需的输入参数详见下一节。基本参数描述了波高、波周期及流速。最难获得,也是最重要的参数是阻力系数、惯性系数和升力系数:Cd、Cm 及 Cl。根据 API RP2A 和 DNV(挪威船级社)的建议,Cd 的值在 0.6~1.2 之间,Cm 的值在 1.5~2.0 之间。Cl 的值分布范围较大,近似平均值为 0.7。

惯性系数 Cm 等于 1 加上附加质量系数 Ca。该附加质量值说明了管道单元假定携带的流体质量。

事实上,这些系数是关于流体质点速度的函数,它在水层上是变化的。通常,先计算两个无量纲参数,再利用该计算值从发布的图表中获取 Cd 值、Cm 值和 Cl 值。第一个无量纲参数是 Keulegan-Carpenter 数 K,定义如下:

K = Um * T / D

式中

Um = 最大流体质点速度

T = 波周期

D = 单元的特征直径

第二个无量纲参数是 Reynolds 数 Re。Re 定义如下:

Re = Um * D / n

式中

Um = 最大流体质点速度

D = 单元的特征直径

n = 流体的运动粘度,海水为 1.26e-5 ft2/sec

计算 K 和 Re 以后,用图表获取 Cd、Cm 和 Cl。详情参见 T. Sarpkaya 的《离岸结构的波力力学》。示例图表如下图 3.21、图 3.22 和图 3.25。

为了确定这些参数,必须确定流体质点速度(相关位置)。确定了适当的波理论后,很容易就能获得质点速度。

在所述波理论中,修正的 Airy 理论和 Stokes 第 5 阶理论包括了深度衰减函数的修正。标准理论采用的深度衰减函数等于 cosh(kz) / sinh(kd)。

式中

k —— 指波数,2p /L

L —— 指波长

d —— 指水深

z —— 指要确定数据的水层标高

修正理论在深度衰减函数的分子中加入附加项。修正的深度衰减函数等于 cosh(da) / sinh(kd),

式中

a —— 等于 z / (d + h)

参数 da 表示要计算质点速度和加速度处的有效高度。通过该参数可将有效高度控制在静水面以下。也就是说,对于实际高度在静水面以上的质点,计算的速度和加速度是收敛的。

如上所述,阻力系数、惯性系数和升力系数是流体速度和相关单元直径的函数。请注意,流体质点速度随着深度和波列位置(按应用波理论确定)的变化而变化。因此,这些系数实际上并非常量。然而,从实际工程角度来看,在流体领域里,通常不会改变这些位置函数参数。从瞬间波高和波周期的定义误差来看,这种做法是合理的。Sarpkaya 认为,这些值不足以准确地预测波浪力,而需要考虑原来的流体质点运动历程。鉴于各种不确定性,API 和很多其他参考文献给出了 Cd、Cm 和 Cl 的建议常数值。

另外还必须考虑海洋生物的影响。海洋生物对管系载荷的影响如下:增加了管道直径使得水动力载荷增加;增加了粗糙度使得 Cd 增加,从而增加了水动力载荷;增加了质量和附加质量使得固有频率减小,且动态放大系数增加;导致结构重量增加;可能造成涡旋脱落等水动力不稳定现象。

最后,Morrison 力方程基于“小型本体”假设。“小”指“直径/波长”比值小。如果比值超过 0.2,则惯性力不再与流体质点加速度同相,须考虑衍射效应。在这种情况下,CAESAR II 常用的流体载荷不再适用。

水力荷载和波浪理论的更多详情参见本文末尾的参考文献。