海洋工程导论

1、中等尺度效应中等尺度效应 在所有情况下模型的研究，要确保毛细管效应和粘滞阻尼是微乎其微的。通常，粘滞 阻尼不是一个重要的关注在大多数水深远超过10厘米的波箱。 毛细管效应毛细管效应 毛细效应影响波通过引入一个波阻尼效应。这反过来又扭曲了波敏捷（或者波长） 。对 于一阶近似（空气理论） ，波敏捷公式：（53） 其中 c = L/T,A=表面张力。如果 L 是 A=0时的波长，那么（54） 其中 L 是由于规模的影响对毛细管波长的效果。 对于2d/L， （55） 其中 d 单位是厘米，如果2d/L 足够大， （56） 密度效应密度效应 在一个波浪水池的新鲜水几乎都是用来表示海水中发现的样机应用。这创造了一个小 的大约有3%的差异密度。这种差异反映了一个类似的在实测力量的改变，而这些改变应当 改正。 让我们考虑一下一个面板防波堤的例子。考虑稳定，岩石或者障碍物的最小重量大概 符合哈得逊公式：（57） 其中 b 为岩石密度，s 为海水密度 对相似模型,必须与密度的原型密度有一下关系：（58） 其中 m 为模型岩石密度 假设模型岩石和原型密度都是一样的，原型块重量和模型块重量关系为：（59） 因

2、此，使用新鲜水产生的误差的大约10 - 15%。 模型测试设备模型测试设备 对于沿海和近海模型测试的模型测试设备应该包括以下功能：建模，仪表化， 仿真环境，以及记录和分析数据的软件。物理设备应该包括一个可以产生波浪、 风和涌流的水池。一个高效率的波浪吸收系统在水池里也是必不可少的。同时 的产生波浪和涌流使研究他们与模型的联合互动成为可能。风的影响模仿模型 的上层结构，并且经常用一系列模型附近水面上方的排风机来完成。 更早的波坦克建立在 1980 年之前仅仅产生向一个方向传播的波浪。这些对 于重新产生长期的淡香型的海洋波浪是是合适的。风能多向波要求设备可以产 生多向的波浪。这些设备有相对应于他们长度的宽度。很多的现代设备有这个 能力。 沿海建模沿海建模 沿海结构建模要求浅的盆地。在大多数情况下，多向波能力是迫切需要的。 一些模型，比如放浪堤和防波堤需要一个大的地域。因为大范围因素被用来建 立沿海结构模型，仅仅要求小型波浪。产生的波浪经受来自结构模型的相当大 的折射和衍射。 一个这样的设备座落在维克斯堡的美国陆军工程兵团水源实验站。美国陆军 工程兵团水源实验站的定向波浪产生器。沿海及液压实

3、验室可以产生自然的海 洋状况并且尤其适用于沿海建模的研究。它是在美国仅有的这种类型和尺寸的 可以在一个沿海实验室产生波浪的仪器。这个 DSWG 盆地 29.3 米长，34.7 米宽。 在盆地里水的深度各种各样并不大于 0.6 米。对于波浪吸收系统，37 度斜披上 的便携式金属框架安装在盆地流域边界。波浪的吸收和能量损耗由两层被 50.8mm 的马毛分开的网形铁提供。DSWG 包括 60 个在 4 个模块里的便携式划桨，每个 0.76 米高，0.4 米宽。它是一个没有底或者允许水存在与划桨下面的封密压缩装置的回湿设计。划桨在一个最大 冲程为 152.4 mm 活塞模式中运行。波长在 25.445.2mm 之内，然而，周期 在 0.75s4.0s 之内。另一个进行沿海建模的多向波盆地是在加拿大渥太华国家研究委员会的水工 实验室。这盆地 50 米长，30 米宽，3 米深，配备了可以产生全方位海的分段波 发生器。分段波发生器占据了盆地的一端，有排孔的金属层薄片作为波浪吸收 器坐落在另一端和边缘。穿孔和隔开金属层薄片或许被改变成最小化波反射。波浪产生器包括 60 个片段或者被一个岩样液压系统独立

4、驱动的波板。独立 波板 2.0 米高，0.5 米宽，由最大冲程为0.1 米的割舍穆格电子琴液压执行器驱 动。执行器的排水量通过杠杆臂被在技术上放大。波板在活塞或转化或挡板或 旋转模式或两模式的结合模式里运行。这个机器也可垂直运动来调整不同的水 深。环境模型环境模型 在模型测试的时候，结构环境须在实验室里恰当地模仿进行。两个主要的 要求在近海或者沿海测试的环境参数是海浪和风。 模拟海浪模拟海浪 模拟规则的海浪是简单的。规则的海浪只需知道海浪的峰值和周期。这些 量变成模型选定的规模因素。给定高度的海浪由简谐波发生器产生进行简谐振 动。 这里由几种产生不规则或随机波的方法。在模拟水域里的波浪模拟很多能 量模谱代表海浪。对于海浪的产生，一个数字输入信号通过目标光谱计算，考 虑到为制波器传递函数。这传递函数通常归因于制波器对于水的机械位移和液 压伺服制造系统之间的联系。 单向波单向波 在水池制造海浪的两种重要方法是随机相位法和随机系数法。前者有光谱 确定，而后者是不确定的。 海面通常被认为是一个零高斯均值。仿真的海平面通常由有限数目的傅里 叶元件作为时间的函数：（60） 。 其中 （t）是生成的

5、表面轮廓在一个特定的能量密度谱模型。an 和 fn 的 大小分别是波的振幅和频率。 光谱模型分为 N 频率相同增加如图 7 有宽 f 的频率范围 f1 和 f2 之间在 上下结束的频谱。傅立叶幅值 nf 是由频谱密度 S（nf）得到的：（61） 频率 fn 被选作为模型中第 n 条宽带的中心频率。相应的阶段 n 是由一个 同一分布率在 和- 之间的函数发生器产生的。fn 的大小有时被选择为任意 的第 n 次宽带提供的一步随机数 随机波的持续时间应该足够长用来数据分析，但应该有最小限度至少为 200 个周期进行系统数据分析。由于该方法由时间序列产生，当反傅立叶变换 获得一场势均力敌的比赛的目标频谱。正如图 8 所示模型。 上述方法不产生波元件的随机振幅。在随机系数方法中，海平面轮廓有以 下公式得到：（62） 其中系数 bn 和 cn 被认为是一般方差的高斯分布的独立随机变量。 （63） 系数 bn 和 cn 有一个联合概率密度函数。（64） 波浪场波浪场 在定向海的情况下，定向扩散函数将被指定除了特定能量密度谱 15，19，20。然后，根据公式 60 我们知道（65） 在上式，振幅 an 现在有以下函数：（66） 其中 n=2fn，并且定向谱是由（67）获得。 D（，）的常见形式有：（68） 其中 o 是波的主要方向，s 是延长指数。系数 C（s）定义为：（69） 其中 伽玛函数。最通常的使用价值是 s=2。对于不同的图 9 中给定的价 值的 D（s）的平面线图。 风的模型风的模型 风对海岸结构的影响，如果它是重要的，是在模型前面的风机位置所产生的战 略。在这种情况下，上层建筑必须精确的模型化。风载荷加载到这些构架上或 许对设计这些构架非常重要，尤其是浮动停泊结构。然而，人们强调说这些加 在模型上的载荷受到相关的结垢问题的影响。风载荷是雷诺数的函数，R 在模 型中要比约翰希南函数更小。因此，很可能是风影响原型与模型紊流区而风效 果在一个层流区域。在这种情况下,模型试验结果也有可能是比较保守的。风速 通常取一个稳定值，风谱可以在某些应用中是非常重要的。风的频率范围很广 的谱,通常覆盖范围从 0.005 到 1 赫兹。

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