Bølge- og strømbelastning bør ikke blot behandles som to uafhængige belastninger, der beregnes separat og derefter lægges sammen.I offshore strukturanalyse er den korrekte fremgangsmåde først at bestemme den lokale vandpartikelbevægelse forårsaget af bølger og strømme på samme position og tidspunkt, kombinere deres hastighedskomponenter i et konsistent koordinatsystem og derefter beregne den resulterende hydrodynamiske kraft.

Denne sondring bliver særlig vigtig for offshore-konstruktioner, der er udsat for store bølger, stærke strømme og komplekse strømprofiler. Det kan påvirke den beregnede modstandskraft betydeligt, især når Morison-ligningen anvendes til slanke rørformede elementer.

Denne artikel forklarer de tekniske principper bagbølge-strøm interaktion, strømprofil strækning, hastighedsvektor kombination, Morison modstandskraft og bølgestrøm belastningsmodellering i SACS.

1. Hvorfor bølge- og strømbelastninger ikke altid kan tilføjes direkte

En almindelig tilgang i offshore strukturanalyse er at beregne bølgelaster og strømlaster uafhængigt af hinanden og derefter lægge de resulterende kræfter sammen.

Dette repræsenterer dog ikke nødvendigvis den faktiske hydrodynamiske belastning på en struktur.

Det grundlæggende spørgsmål er:

Hvad er den faktiske vandhastighed omkring konstruktionselementet på samme sted og i samme øjeblik?

Den bølgeinducerede hastighed og strømhastigheden eksisterer samtidigt i vandet. Derfor bør den lokale vandhastighed først bestemmes ved at kombinere deres hastighedsvektorer. Den resulterende hastighed bruges derefter til at beregne den hydrodynamiske kraft.

Dette er især vigtigt fortrækkomponenten i Morison-ligningen, fordi modstandskraften er proportional med kvadratet af den relative hastighed.

Derfor:

At kombinere miljøhastighederne først og derefter beregne den hydrodynamiske kraft er generelt ikke ensbetydende med at beregne bølge- og strømkræfter uafhængigt og lægge resultaterne sammen bagefter.

2. Hvor kommer strømmen fra over det stille vandniveau?

Overvej en offshore-struktur placeret i stormforhold, hvor:

• Stille vandstand er defineret somz = 0
• Vanddybden er80 meter
• Indgangsstrømprofilen er kun defineret op til det stille vandniveau
• Bølgetoppen nårη = +8 m

Når bølgetoppen passerer strukturen, stiger den øjeblikkelige frie overflade til +8 m.

Et strukturelt element placeret vedz = +4 mer derfor midlertidigt oversvømmet.

Men den oprindelige strømprofil giver ikke direkte en strømhastighed på +4 m, fordi den oprindelige profil kun blev defineret op til stille vandstand.

Det tekniske problem er derfor ikke at bestemme strømmenover bølgetoppenI stedet skal den bestemme strømhastigheden i det område, der er:

over det stille vandniveau, men under den øjeblikkelige bølgeoverflade.

En ingeniørmæssig tilgang er at transformere strømprofilen i henhold til den øjeblikkelige frie overfladehøjde. Strømprofilen strækkes eller komprimeres effektivt, således at:

• Havbunden forbliver forbundet med havbunden
• Den øjeblikkelige bølgeoverflade svarer til den øvre grænse af den oprindelige strømprofil

Dette giver en ensartet strømhastighedsfordeling i hele det øjeblikkeligt befugtede område.

3. Udstrækning af den nuværende profil: Kortlægning af den lokale højde

Strømprofilstrækning bør ikke fortolkes som blot at gange enhver strømhastighed med en skaleringsfaktor.

Den vigtigste operation er atkortlægge den nuværende strukturelle kote til en tilsvarende referencekote i den oprindelige nuværende profil, og derefter finde den aktuelle hastighed fra den kortlagte position.

For en forenklet lineær strækningstilgang kan forholdet udtrykkes som:

z' = -d + (z + d) × d / (d + η)

hvor:

• d= regnvandsdybde
• η= øjeblikkelig bølgehøjde
• z= nuværende højde på den strukturelle placering
• z'= kortlagt højde i den oprindelige aktuelle profil

Det samme vertikale referencesystem bør anvendes tilz, z' og η, med positive værdier opad.

Antag for eksempel:

• Vanddybde:d = 80 m
• Bølgehøjde:η = +8 m

Kortlægningen kan illustreres som følger:

Det betyder, at den aktuelle hastighed vedz = +4 mopnås ved at evaluere den oprindelige strømprofil ved ca.z' = −3,64 m.

Eksempel på strømhastighedsinterpolation

Antag at den oprindelige nuværende profil har:

• Strømhastighed ved z = 0 m:1,5 m/s
• Strømhastighed ved z = −20 m:1,2 m/s

Hvis lineær interpolation anvendes, kan den kortlagte hastighed ved cirka -3,64 m opnås ud fra disse to værdier.

Det vigtige punkt er:

Udstrækningen ændrer den position, hvorfra strømhastigheden opnås. Den multiplicerer ikke blot alle strømhastigheder med 88/80.

Denne sondring er afgørende ved fortolkning af strømprofiltransformationer i offshore hydrodynamisk analyse.

4. Lineær vs. ikke-lineær strømprofilstrækning

Nuværende profilstrækning er ikke nødvendigvis begrænset til én matematisk metode.

API RP 2A-WSD, 22. udgave, afsnit 5.3.1.2.6identificerer ikke-lineær strækning som den foretrukne metode under de betingelser, der er beskrevet i standarden, samtidig med at den diskuterer omtrentlige tilgange til bestemte strømprofilkarakteristika.

For en relativt tyk overfladeplade med en tilnærmelsesvis ensartet hastighedsfordeling kan simpel vertikal forlængelse give en rimelig tilnærmelse til ikke-lineær strækning.

For andre typer af aktuelle profiler,lineær strækning kan også bruges som en teknisk tilnærmelse, afhængigt af de gældende forhold og analysemetoden.

Derfor bør to konklusioner undgås:

• Det er ikke korrekt at antage, at enhver nuværende profil blot kan udvides opad uden hensyntagen.
• Det er heller ikke korrekt at antage, at lineær strækning er universelt uacceptabel.

Udvælgelsen bør baseres på den aktuelle profils karakteristika, den gældende designstandard og analysekravene.

Strømprofil vs. bølgekinematik

En anden vigtig forskel er, atStrømprofilstrækning og bølgekinematik er ikke den samme fysiske proces.

Strømstrækning bestemmer, hvordan strømhastighedsprofilen kortlægges i det øjeblikkelige befugtede område.

Metoder som f.eks.Wheeler strækker siger forbundet med behandling af bølgekinematik.

Selvom lignende elevationskortlægningskoncepter kan forekomme i forskellige formuleringer, bør de ikke automatisk fortolkes som den samme softwareindstilling eller den samme fysiske korrektion.

5. Bølge- og strømhastigheder skal kombineres som vektorer

Når den lokale strømhastighed er bestemt, kan den kombineres med den bølgeinducerede hastighed.

Hastighederne bør dog kombineres somvektoreri stedet for blot at lægge deres størrelser sammen.

For eksempel på et bestemt tidspunkt:

• Bølgehastighed =3 m/s mod øst
• Strømhastighed =1 m/s mod nord

Den resulterende vandrette hastighed er:

U = √(3² + 1²) ≈ 3,16 m/s

Den er derfor ikke 4 m/s.

Hvis bølge- og strømhastighederne er kolineære og i samme retning, kan deres fortegnshastigheder adderes direkte.

For eksempel:

3 m/s + 1 m/s = 4 m/s

Men når retningerne er forskellige, er vektoraddition nødvendig.

6. Den relevante hastighed for et strukturelement er den normale komponent

For offshore rørformede strukturer er en anden vigtig overvejelse retningen af ​​den hydrodynamiske kraft i forhold til elementet.

Den hastighed, der anvendes til modstandskomponenten, bør generelt betragtes i forhold tilstrømningskomponenten vinkelret på konstruktionselementet.

Det betyder, at størrelsen af ​​den samlede miljøhastighed ikke automatisk bør anvendes på ethvert skrånende eller forskelligt orienteret rørformet element.

For et medlem med en vilkårlig orientering:

1. Bestem den lokale bølgehastighed.
2. Bestem den lokale strømhastighed.
3. Kombinér dem i et ensartet koordinatsystem.
4. Bestem den relative strømningshastighed.
5. Opløs hastigheden i komponenten normalt på elementet.
6. Påfør den passende hydrodynamiske formulering.

Hvis selve konstruktionselementet bevæger sig, skal den relevante mængde også tage højde forden relative hastighed mellem vandet og elementet.

7. Hvorfor forskellen bliver betydelig i Morison Drag-termen

Vigtigheden af ​​at kombinere bølge- og strømhastigheder korrekt bliver tydeligere, når man undersøger Morison-ligningen.

For en fast cirkulær cylinder udsat for endimensionel tværgående strømning kan trækkraften pr. længdeenhed udtrykkes i forenklet form som:

Fᴅ = ½ ρ Cᴅ DU |U|

hvor:

• Fᴅ= trækkraft pr. længdeenhed
• ρ= vanddensitet
• Cᴅ= luftmodstandskoefficient
• D= medlemsdiameter
• U= fortegnsbestemt relativ strømningshastighed normal til elementet

Det vigtige træk er udtrykket:

U |U|

Derfor er modstandskraften ikke-lineær i forhold til hastighed.

8. Eksempel: Separate bølge- og strømbelastninger vs. kombineret hastighed

Overvej et forenklet tilfælde, hvor:

• Bølgehastighed =3 m/s
• Strømhastighed =1 m/s
• Begge handler i samme retning

Hvis bølge- og strømmodstandskræfterne beregnes separat og derefter lægges sammen, er hastighedskvadratleddene:

3² + 1² = 10

Hvis hastighederne først kombineres, og modstandskraften derefter beregnes:

(3 + 1)² = 16

Forskellen kommer fra krydsleddet:

2 × 3 × 1 = 6

Værdierne10 og 16 er hastighedskvadratled, med enheder på m²/s². De er ikke kræfter i kN og repræsenterer ikke den samlede hydrodynamiske belastning i sig selv.

Dette forenklede eksempel viser hvorfor:

At beregne bølge- og strømmodstand uafhængigt og derefter lægge resultaterne sammen er generelt ikke ensbetydende med at beregne modstand ud fra den kombinerede lokale hastighed.

Forskellen er især betydelig, når bølge- og strømhastigheder er store og virker i samme retning.

9. Hvad sker der, når bølger og strømme virker i modsatte retninger?

Det samme princip gælder, når bølge- og strømhastigheder virker i modsatte retninger, men den fortegnede hastighed skal bevares.

For eksempel:

• Bølgehastighed = +3 m/s
• Strømhastighed = −1 m/s

Den kombinerede hastighed er:

U = +3 − 1 = +2 m/s

Det tilsvarende hastigheds-kvadrerede luftmodstandsled er baseret på:

U |U| = 2 × 2 = 4

Dette illustrerer, hvorfor det ikke er korrekt at konkludere, at separat beregning altid vil give en mindre belastning.

Afhængigt af bølgens relative retning og fase samt strømhastigheder kan forskellen ændre sig i størrelse og retning.

10. Morison-ligningen indeholder også et inertiudtryk

Det forenklede eksempel ovenfor fokuserer kun på trækkomponenten.

En komplet Morison-formulering indeholder også eninertiudtryk forbundet med vand-partikel acceleration.

Derfor kan den komplette bølge-strøms hydrodynamiske belastning ikke repræsenteres blot ved at sige, at hele belastningen er proportional med hastigheden i anden potens.

Modstandskomponenten demonstrerer den ikke-lineære effekt tydeligst, mens inertikomponenten skal behandles i henhold til den gældende hydrodynamiske formulering og bølgekinematik.

Denne sondring er vigtig, når man fortolker resultaterne af offshore strukturanalyser.

11. Bølge-strøm-interaktion i SACS: Hvad bør ingeniører kontrollere?

Ved modellering af bølge- og strømeffekter iSACS, bør ingeniøren se ud over navnet på lasttilfældet.

Et belastningstilfælde kaldet"Bølge + Strøm"beviser ikke i sig selv, at den underliggende fysiske proces er blevet modelleret korrekt.

Flere aspekter bør kontrolleres:

1. Vandstandsreference

Sørg for at følgende er defineret ensartet:

• Stille vandstand
• Regnvandsniveau
• Bølgehøjde
• Strukturelle forhøjninger
• Aktuel profilreferencehøjder

En inkonsistent vertikal reference kan resultere i forkert strømkortlægning.

2. Udstrækning af den nuværende profil

Tjek om den aktuelle profil er:

• Strakt
• Udvidet
• Interpoleret
• Modificeret af en anden transformation

Den valgte metode skal være i overensstemmelse med den gældende designmetode.

3. Bølgekinematik

Kontroller, hvordan softwaren genererer bølge-partikelhastighed og -acceleration.

Strømprofiltransformation og bølgekinematisk strækning bør ikke automatisk behandles som den samme proces.

4. Bølgestrømsretning

Kontroller den relative vinkel mellem bølgeudbredelse og strømretning.

For ikke-kollineære bølge- og strømforhold kan begge retningsbestemte komponenter påvirke analysen.

5. Medlems normale hastighed

For hvert konstruktionselement skal det kontrolleres, at den korrekte strømningskomponent i forhold til elementets orientering anvendes.

6. Relativ hastighed

Hvis strukturel bevægelse er relevant, skal det kontrolleres, om den hydrodynamiske formulering anvender den passende relative hastighed mellem vand og element.

7. Modstands- og inertikomponenter

Gennemgå de separate bidrag fra:

• Trækkraft
• Inertikraft
• Samlet hydrodynamisk kraft

Fortolk ikke eksemplet med kun træk som en repræsentant for den komplette Morison-belastning.

12. Tilsyneladende bølgeperiode og strømhastighed bør ikke forveksles

Et andet vigtigt problem i offshore-analyse er den strømhastighed, der bruges til at estimeretilsyneladende bølgeperiode.

Den strøm, der anvendes til dette formål, er ikke nødvendigvis identisk med en strømværdi, der allerede er blevet modificeret for strukturel blokering eller lokale effekter.

Under den ovenfor omtalte API-metode bør den tilsyneladende bølgeperiode evalueres ved hjælp afuforstyrret fristrøm, snarere end en strøm, der allerede er blevet reduceret af strukturel blokering.

For ikke-kollineære bølge- og strømforhold er strømkomponenten langs bølgeretningen relevant for estimering af den tilsyneladende bølgeperiode.

Samtidig kan den nuværende profil, der anvendes i beregningen af ​​den hydrodynamiske belastning, kræve passende profilkortlægning og retningsbestemt behandling.

Derfor:

En aktuel værdi, der er ændret til ét analyseformål, bør ikke automatisk genbruges til alle andre beregningstrin.

13. Strukturel lastoverlejring er ikke det samme som generering af miljøbelastning

Et kritisk koncept i offshore strukturanalyse er forskellen mellemgenerering af belastningogstrukturel respons superposition.

Under passende lineære strukturelle forhold kan strukturelle reaktioner overlejres.

Dette betyder dog ikke, at de miljømæssige hydrodynamiske kræfter, der genererede disse reaktioner, altid kan beregnes uafhængigt og derefter lineært adderes.

For eksempel:

Bølgehastighed + strømhastighed → lokal kombineret hastighed → hydrodynamisk kraft → strukturel respons

er fundamentalt forskellig fra:

Bølgekraft + strømkraft → strukturel respons

når den hydrodynamiske kraft i sig selv er ikke-lineær i forhold til hastigheden.

Denne sondring er især vigtig for Morison-trækbelastning.

14. En praktisk arbejdsgang til bølgestrømsbelastningsanalyse

En praktisk ingeniørarbejdsgang kan derfor opsummeres som følger:

Trin 1 — Fastlæg vandstanden

Definer det relevante referenceniveau for stillestående vand eller regnvand, og sørg for, at alle koter bruger samme datapunkt.

Trin 2 — Definer bølgeoverfladen

Bestem den øjeblikkelige bølgehøjde på det sted og den fase, der evalueres.

Trin 3 — Kortlæg den aktuelle profil

Bestem strømhastigheden svarende til den øjeblikkelige befugtede elevation ved hjælp af den relevante strømprofiltransformation.

Trin 4 — Bestem bølgekinematik

Beregn den lokale bølgeinducerede hastighed og acceleration på samme sted og i samme fase.

Trin 5 — Kombinér bølge- og strømhastigheder

Udfør vektoraddition i et konsistent koordinatsystem.

Trin 6 — Bestem relativ strømning

Tag højde for medlemmernes orientering og, hvor det er relevant, strukturel bevægelse.

Trin 7 — Beregn hydrodynamisk kraft

Påfør den passende Morison- eller anden hydrodynamisk formulering.

Trin 8 — Kontrollér retningsbestemte komponenter

Bekræft, at de korrekte normale og tangentielle hastighedskomponenter er blevet brugt for hvert konstruktionselement.

Trin 9 — Gennemgå SACS-output

Kontroller de underliggende antagelser og outputmængder i stedet for kun at stole på navne på lasttilfælde.

Trin 10 — Valider i forhold til den gældende standard

Gennemgå de relevante API-krav, projektspecifikationer, softwaredokumentation og analyseforudsætninger.

15. Vigtige konklusioner

Den korrekte behandling af bølge- og strømbelastning er fundamentalt set envandkinematisk problem, før det bliver et strukturelt lastproblem.

De vigtigste principper er:

• Bølge- og strømhastigheder bør evalueres på samme sted og tidspunkt.
• Strømprofiler skal muligvis transformeres, når den øjeblikkelige frie overflade afviger fra referencevandstanden.
• Strømprofilstrækning ændrer hastighedssamplingens position; det er ikke blot en ensartet hastighedsmultiplikator.
• Bølge- og strømhastigheder bør kombineres som vektorer.
• Hastighedskomponenten, der er vinkelret på konstruktionselementet, er vigtig for Morison-modstand.
• Den relative hastighed mellem vand og element bør tages i betragtning, når strukturel bevægelse er relevant.
• Morison-modstand er ikke-lineær, fordi den afhænger af U|U|.
• At beregne bølge- og strømmodstand separat og lægge resultaterne sammen er generelt ikke ensbetydende med at beregne modstand ud fra den kombinerede hastighed.
• Morison-inertileddet kræver separat overvejelse og er ikke repræsenteret af det simple hastigheds-kvadrerede eksempel.
• Strømværdier, der anvendes til estimering af den tilsyneladende periode, bør ikke automatisk forveksles med blokerede eller på anden måde modificerede strømværdier, der anvendes andre steder.
• Strukturel responssuperposition indebærer ikke, at miljømæssige hydrodynamiske belastninger altid kan genereres uafhængigt og adderes lineært.
• SACS-belastningstilfældenavne alene er ikke tilstrækkelige til at verificere den fysiske korrekthed af en bølgestrømsanalyse.

Konklusion

Det centrale spørgsmål i kombinationen af ​​bølge-strømbelastning er ikke blot, om to kræfter kan adderes.

Det mere grundlæggende spørgsmål er:

Hvordan bevæger vandet sig faktisk rundt om konstruktionselementet på samme position og i samme øjeblik?

Strømprofilstrækning bestemmerhvor strømhastigheden skal opnås.

Vektorkombinationen bestemmerhvordan bølge- og strømhastigheder interagerer.

Morison-ligningen bestemmerhvordan den resulterende vandbevægelse omdannes til hydrodynamisk kraft.

Disse trin er fysisk forbundet og kan generelt ikke erstattes blot ved at addere to uafhængigt beregnede miljøbelastningsresultater.

For pålidelig offshore strukturel analyse bør ingeniører derfor gennemgå hele kæden:

Vandstand → Strømprofil → Bølgekinematik → Kombination af bølge-strømhastighed → Relativ elementhastighed → Hydrodynamisk kraft → Strukturel respons

Denne tilgang giver et mere fysisk ensartet grundlag for analyse af offshore rørformede strukturer udsat for kombineret bølge- og strømbelastning.

Ofte stillede spørgsmål

Kan bølge- og strømbelastninger blot lægges sammen?

Ikke i alle tilfælde. For Morison-modstandsbelastning bør bølge- og strømhastigheder generelt kombineres, før den hydrodynamiske modstand beregnes, fordi modstandskraften afhænger ikke-lineært af hastigheden.

Hvad er den nuværende profilstrækning?

Strømprofilstrækning er en metode til at kortlægge den oprindelige strømhastighedsprofil til den øjeblikkelige befugtede vandsøjle, når den frie overfladehøjde ændres på grund af bølger.

Betyder strømstrækning at gange hastighed med en skalafaktor?

Nej. Generelt ændrer strækning den højde, hvor den aktuelle hastighed opnås fra den oprindelige profil. Det bør ikke blot fortolkes som at gange hver hastighed med en fælles faktor.

Hvad er forskellen mellem bølgekinematik og strømprofilstrækning?

Bølgekinematik beskriver den hastighed og acceleration, der er forbundet med bølgebevægelse. Strømprofilstrækning ændrer, hvordan en specifik strømprofil repræsenteres i den øjeblikkelige vandsøjle. De er relateret til forskellige fysiske processer.

Hvorfor ændrer Morison-modstandskraften sig markant, når bølge og strøm kombineres?

Fordi modstandsleddet afhænger af den fortegnsbestemte relative hastighed gennem U|U|. Derfor kan den kombinerede hastighed producere krydsled, der ikke er til stede, når bølge- og strømmodstandskræfter beregnes uafhængigt.

Har bølgens og strømmens retning betydning?

Ja. Bølge- og strømhastigheder bør behandles som vektorer. Deres relative retning påvirker den resulterende hastighed og dermed den hydrodynamiske kraft.

Skal den samlede vandhastighed anvendes for hvert konstruktionselement?

Ikke nødvendigvis. For slanke rørformede elementer er hastighedskomponenten, der er vinkelret på elementet, særligt relevant for tværgående modstand. Elementets orientering skal derfor tages i betragtning.

Kan SACS automatisk håndtere bølge- og strøminteraktion?

Den nøjagtige behandling afhænger af SACS-versionen, analyseindstillinger, inputdefinitioner og den valgte metode. Ingeniører bør verificere den relevante softwaredokumentation og output i stedet for udelukkende at stole på navnet på en belastningstilfælde.

Er bølge-strøm lastkombination det samme som strukturel last superposition?

Nej. Strukturrespons kan overlejres under passende lineære antagelser, men hydrodynamisk kraftgenerering kan være ikke-lineær. Derfor bør generering af miljøbelastning og superposition af strukturrespons behandles som separate begreber.