01海洋工程环境学(第一、二、三章)

1、1,1,海洋工程环境学,Environmental Mechanics of Ocean Engineering,2,2,2013-2014学年第1学期为船11级本科学生讲授 海洋工程环境学教学日历和授课大纲,3,3,上课时间为8-13周， 10月14日开课，11月24日结束 共24学时。 上课教室： 周一 8-9节 獐406教室 周四 6-7节 獐406教室,4,4,本课程为船舶与海洋工程专业学生的专业课程，主要讨论船舶与海洋结构物遭遇到的海洋环境中的力学问题。主要内容包括海洋环境因素(风、浪、流、潮汐、海冰等)形成的基本原理与统计分析方法，船舶与海洋结构物遭遇到的环境载荷及其运动响应等。,课程摘要：,5,5,海洋环境因素介绍 海洋结构物介绍 风载荷基本原理、分析与计算 波浪载荷基本原理、分析与计算 海流载荷基本原理、分析与计算 潮汐载荷的分析 海冰载荷的形成机理、分析与计算 海洋结构物在海洋环境下的设计与安全保障,主要内容：,6,6,参考教材：,海洋工程环境曾一非 上海交大出版社 海洋科学导论冯士筰等 船舶与海洋工程环境载荷 O.M.Faltinsen 海洋工程基础 罗伯特.E.兰

2、德尔,7,考核方法,出勤：占60分，12次课，5分/次； 课堂检查：占20分，2次，10分/次 作业检查：占20分，2次，10分/次 总分100分,8,载荷：load，指的是使结构或构件产生内力和变形的外力及其它因素。或习惯上指施加在工程结构上使工程结构或构件产生效应的各种直接作用，常见的有：结构自重、楼面活载荷、屋面活载荷、屋面积灰载荷、车辆载荷、吊车载荷、设备动力载荷以及风、雪、裹冰、波浪等自然载荷。 响应：response，系统在激励作用下所引起的反应。,课程意义,9,课程意义,海洋工程结构设计中存在很多缺陷 -控制载荷不明确 -设计准则不确定 海洋工程结构运行中存在很多风险 -结构设计问题 -环境载荷、结构动力分析 -安全保障措施,10,海洋工程结构物,浮式结构：船舶、FPSO、半潜式平台等 固定式结构：海洋平台、跨海大桥、风力发电机、灯塔等等,11,常见的船舶工程问题,船舶耐波性和波浪载荷问题的重要事件：局部运动、加速度、砰击、甲板上浪、破碎波效应、水舱液体晃动等 船体与波浪之间的垂向加速度和相对垂向运动是重要的响应。 加速度决定货物和设备上的载荷，并决定人员的舒适度。 相对

3、垂向运动用来评估砰击和甲板上浪的可能性及破坏作用（结构局部破坏）。,12,对渔船、起重船、客船和军用舰艇，横摇是一个重要问题； 小型船只，横摇与风、甲板上浪或者货物的移动组合，可能导致船体倾覆； 对散货船、油矿组合船（OBO）、液化天然气（LNG）船以及装油的油轮，液舱晃荡是一问题； 波浪引起的弯矩、剪力和扭矩对大型船很重要； 由于主动和非主动减速，船体运动和环境载荷可以显著地影响船速。,13,常见的海洋平台工程问题,垂荡运动对于钻探作业（钻井船）、半潜式采油平台是一限制因素； 横摇运动对于起重船的操作或用船运输的自升式和半潜式平台，是一重要运动模式； 在设计海洋结构物的系泊系统时，由风、浪、流漂移力引起的载荷以及风和波浪引起的运动通常是同等重要。（一是系泊锚链的破坏强度；二是立管系统的挠性） 对于起重船、潜水船、铺管船的船位保持，风、流、波浪漂移力是重要因素 寒区抗冰油气平台对于冰载荷的抵抗能力，冰激结构物振动是关键问题。,14,15,工程手段,解决工程环境载荷的几种手段：理论推导、数值模拟、模型实验、原型（实尺）实验。 原型实验：最理想的手段，但费用昂贵，可控条件难以控制； 模型实

4、验：方便、可控；但存在相似比问题 数值模拟：数值模拟取决于理论方法的发展，某些情况下只靠数值模拟来计算分析载荷作用机理是不可靠的 目前较科学的手段：数值模拟与实验方法的结合。,16,16,船舶和海洋结构物 所面对的海洋环境,17,17,0. 海洋环境与海洋结构物,0.1 海洋环境因素分析,1, 海洋面积为地球表面积的 70.8%. 海洋体积为地球体积的 0.127%. 海洋水量为地球上总水量的 97%. 海水的热容量为空气的 3000倍， 陆地的 2倍。,18,18,0. 海洋环境与海洋结构物,1,19,19,0. 海洋环境与海洋结构物,0.1 海洋的划分,地球上互相连通的广阔水域构成统一的世界海洋。根据海洋要素特点及形态特征，可将其分为： 主要部分：大洋，约占海洋总面积的90.3%；深度一般2000m；盐度、温度等不受大陆影响，盐度平均为35，且年变化小；具有独立的潮汐系统和强大的洋流系统。 附属部分：海、海湾和海峡。其面积只占世界海洋总面积的9.7%。深度一般2000m；温度和盐度等海洋水文要素受大陆影响很大，年变化大。没有独立的潮汐和洋流系统。潮波多系由大洋传入，但潮汐涨落往往比

5、大洋显著，海流有自己的环流形式。,1,20,20,0. 海洋环境与海洋结构物,1,21,21,0. 海洋环境与海洋结构物,0.1 海洋环境因素分析,太平洋，大西洋，印度洋，北冰洋 地中海，波斯湾，墨西哥湾，加勒比海 北海，南海,1,海洋范围,面积：,深度：,22,22,0.1 海洋环境因素分析 地理条件,按照海所处的位置可将其分为边缘海、陆间海、内海 边缘海位于大陆边缘，以半岛、岛屿或群岛与大洋分隔，但水流交换通畅，如东海、南海、日本海等。 陆间海是指位于大陆之间的海，面积和深度都较大，如地中海和加勒比海。 内海是伸入大陆内部的海，面积较小，其水文特征受周围大陆的强烈影响，如渤海和波罗的海等。 陆间海和内海一般只有狭窄的水道与大洋相通，其物理性质和化学成分与大洋有明显差别。,23,23,0.1 海洋环境因素分析 地理条件,海湾是洋或海延伸进大陆且深度逐渐减小的水域，一般以入口处海角之间的连线或入口处的等深线作为与洋或海的分界。海湾中的海水可以与毗邻海洋自由沟通，故其海洋状况与邻接海洋很相似，但在海湾中常出现最大潮差，如我国杭州湾最大潮差可达8.9m。 海峡是两端连接海洋的狭窄水道。海峡

6、最主要的特征是流急，特别是潮流速度大。海流有的上、下分层流入、流出，如直布罗陀海峡等；有的分左、右侧流入或流出，如渤海海峡等。由于海峡中往往受不同海区水团和环流的影响，故其海洋状况通常比较复杂。,24,24,2,0.1 海洋环境因素分析,我国海岸线北起鸭绿江口，南到中越边境的北仑河口，全长约18000多km，滩涂面积20779km2。,世界海岸线全长44万公里，它是陆地和海洋的分界线。由于潮位变化和风引起的增水-减水作用，海岸线是变动的，水位升高便被淹没、水位降低便露出的狭长地带即是海岸带。目前，世界上约有2/3的人口居住在狭长的沿海地带，海岸带的地貌形态及其变化对人类的生活和经济活动具有重大意义。 海岸带是海陆交互作用的地带。海岸地貌是在波浪、潮汐、海流等作用下形成的。现代海岸带一般包括海岸、海滩和水下岸坡三部分。海岸类型：岩石型、沙砾型、淤泥型、生物型。,25,25,2,0.1 海洋环境因素分析,海岸带一般包括海岸、海滩和水下岸坡三部分。 海岸是高潮线以上狭窄的陆上地带，大部分时间裸露于海水面之上，仅在特大高潮或暴风浪时才被淹没，又称潮上带。 海滩是高低潮之间的地带，高潮时被水淹没

7、，低潮时露出水面，又称潮间带。 水下岸坡是低潮线以下直到波浪作用所能到达的海底部分，又称潮下带，其下限相当于1/2波长的水深处，通常约1020m。,26,26,2,0.1 海洋环境因素分析,大陆架：根据1958年国际海洋法会议通过的大陆架公约，大陆架定义为“邻接海岸但在领海范围以外深度达200m或超过此限度而上覆水域的深度容许开采其自然资源的海底区域的海床和底土”，以及“邻近岛屿与海岸的类似海底区域的海床与底土”。依自然科学的观点，大陆架则是大陆周围被海水淹没的浅水地带，是大陆向海洋底的自然延伸。其范围是从低潮线起以极其平缓的坡度延伸到坡度突然变大的地方为止。,27,27,2,0.1 海洋环境因素分析,28,28,2,0.1 海洋环境因素分析,29,29,2,0.1 海洋环境因素分析,30,30,2,0.1 海洋环境因素分析,海底地形,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,41,42,Nautical mile是海里，1海里等于1852米,43,43,0.1 海洋环境的复杂性,海洋是个无时无刻不在运动着物理系统，海洋中水-汽-冰三态的转化无时无刻不在进行，海水的运

8、动还受制于海面风应力、天体引力、重力和地球自转偏向力等。导致海洋中的各种物理过程更趋复杂，即不仅有力学等物理类型，而且也有大、中、小各种空间或时间特征尺度的过程。 海洋中的近20万种动物、1万多种植物、还有细菌和真菌等，组成了一个特殊的海洋食物网-海洋生态系统。 海洋作为一个自然系统,具有多层次耦合的特点。蒸发与降水，结冰与融冰，海水的增温与降温，下沉与上升，物质的溶解与析出，沉降与悬浮，淤积与冲刷，海侵与海退，潮位的涨与落，波浪的生与消，大陆的裂离与聚合，大洋地壳的扩张与潜没，海洋生态系平衡的维系与破坏等等。它们相反而相成，共同组成了这个复杂的统一体。各个子系统之间，如海洋与大气，海水与海岸、海底，海洋与生物及化学过程等等，大都有相互耦合关系，并且与全球构造运动以及某些天文因素等密切相关。这些自然过程通过各种形式的能量或物质循环，相互影响和制约，从而结合在一起构成了一个全球规模的、多层次的复杂的海洋自然系统。,海洋科学体系：物理海洋学、化学海洋学、生物海洋学、海洋地质学、环境海洋学、气象学、海洋探测技术、工程海洋学等。,44,44,0.1 海洋环境因素分析-物理性质,海水的物理性质

9、颜色 温度 粘性 盐度 密度 透明度,45,45,0.1 海洋环境因素分析-物理性质,海水温度:海水内部分子热运动平均动能的反映,度量海水热量的重要指标。 海水热容:海水温度升高1度时吸收的热量焦耳数; 海水比热容:使单位质量海水的温度增加1度时所需要的热量焦耳数,海水比热容比固体、液体都高。 1立方厘米的海水降温1度时所释放出的热量可使3100立方厘米的空气增高温度1度，因此，海水温度变化缓慢。 海洋热收支：海面与大气之间、海洋内部之间的热交换。 海气间海洋热收入与热支出之间能量的核算关系就是海面热收支，包括太阳辐射、海面有效回辐射、海气间的感热交换、蒸发潜热； 海洋内部热交换主要发生在铅直（湍流热交换）和水平（海流热交换）两方向。,46,46,0.1 海洋环境因素分析-物理性质,海水盐度：海水中溶解物质浓度的一种度量。 氯度与盐度的关系：S=0.03+1.805Cl,该式称为大洋盐度公式(克纽森盐度公式) 电导盐度定义：利用海水的电导率与盐度的关系,求出盐度值。盐度S可由电导比R15应用公式计算得到，R15是温度15度时一个标准大气压下，海水样品的电导率C（S，15，0）与盐度35的标准海水电导率C（35，15，0）之比值。 实用盐度：盐度与电导率关系，在一个标准大气压下与15度时计算公式为S=ai （K15）i/2，K15是海水样品与标准Kcl溶液之间的电导率之比，2S 42,47,47,0.1 海洋环境因素分析-物理性质,海水密度：单位体积海水的质量，海水密度的倒数是海水的比容，是单位质量海水的体积。 海水密度是盐度、温度、压力的函数，（S，t，p），其中海水压力影响最大，温度次之，盐度最小； 海水降温，密度增加；盐度减少，密度减小。 盐温深测定仪CTD 密度的分布：水平分布是赤道热带密度低，两极方向逐渐增大；铅直分布随深度增加而逐渐增大。 大洋密度的日变化很小，随深度增加，各处密度的差异在减小；浅海海域，密度变化很大。,48,48,0.1 海洋环境因素分析-化学性质,海水是一种非常复杂的多组 分水溶液，其主要组成见图 1.主要成份 阳离子Na，K，Ca，Mg和Sr， 阴离子Cl，SO4，Br，CO3，F， 分子形式H3BO3， 其总和占海水盐分的99.9% 2

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