Брановото и струјното оптоварување не треба да се третираат едноставно како две независни оптоварувања кои се пресметуваат одделно, а потоа се собираат заедно.Во анализата на структурните елементи на море, точниот пристап е прво да се одреди локалното движење на водните честички предизвикано од бранови и струи во иста позиција и време, да се комбинираат нивните компоненти на брзината во конзистентен координатен систем, а потоа да се пресмета добиената хидродинамичка сила.

Оваа разлика станува особено важна за офшор структури изложени на големи бранови, силни струи и сложени профили на струи. Може значително да влијае на пресметаната сила на отпор, особено кога равенката на Морисон се користи за тенки цевчести елементи.

Оваа статија ги објаснува инженерските принципи што стојат задинтеракција бран-струја, истегнување на профилот на струја, комбинација на вектори на брзина, сила на отпор на Морисон и моделирање на оптоварување со бран-струја во SACS.

1. Зошто брановите и струјните оптоварувања не можат секогаш да се додадат директно

Вообичаен пристап во анализата на структурните анализи на море е независно да се пресметаат брановите оптоварувања и струјните оптоварувања, а потоа да се соберат добиените сили заедно.

Сепак, ова не мора нужно да го претставува вистинското хидродинамичко оптоварување на структурата.

Фундаменталното прашање е:

Колкава е вистинската брзина на водата околу структурниот елемент на истата локација и во истиот момент?

Брзината предизвикана од бранот и брзината на струјата постојат истовремено во водата. Затоа, локалната брзина на водата прво треба да се утврди со комбинирање на нивните вектори на брзина. Добиената брзина потоа се користи за пресметување на хидродинамичката сила.

Ова е особено важно закомпонента на отпорот на равенката на Морисон, бидејќи силата на отпор е пропорционална на квадратот на релативната брзина.

Затоа:

Прво комбинирањето на брзините на околината, а потоа пресметувањето на хидродинамичката сила генерално не е еквивалентно на независно пресметување на силите на брановите и струите и собирање на резултатите подоцна.

2. Од каде доаѓа струјата над нивото на мирна вода?

Да разгледаме офшор структура лоцирана во услови на бура каде што:

• Нивото на мирна вода е дефинирано какоz = 0
• Длабочината на водата е80 м
• Профилот на влезната струја е дефиниран само до нивото на мирна вода
• Врвот на бранот достигнуваη = +8 м

Кога гребенот на бранот ќе помине покрај структурата, моменталната слободна површина се искачува на +8 m.

Структурен елемент сместен наz = +4 мзатоа е привремено потопен.

Но, оригиналниот профил на струја не ја дава директно брзината на струјата на +4 m бидејќи оригиналниот профил беше дефиниран само до нивото на мирна вода.

Затоа, инженерскиот проблем не е да се одреди струјатанад гребенот на бранотНаместо тоа, треба да се одреди брзината на струјата во регионот што е:

над нивото на мирна вода, но под моменталната површина на бранот.

Еден инженерски пристап е да се трансформира тековниот профил според моменталната елевација на слободната површина. Тековниот профил ефикасно се растегнува или компресира така што:

• Морското дно останува поврзано со морското дно
• Моменталната површина на бранот одговара на горната граница на оригиналниот профил на струја

Ова обезбедува конзистентна распределба на брзината на струјата низ целиот моментално навлажнет регион.

3. Истегнување на тековниот профил: Мапирање на локалната елевација

Истегнувањето на профилот на струјата не треба да се толкува како едноставно множење на секоја брзина на струјата со фактор на скалирање.

Клучната операција е да семапирајте ја моменталната структурна надморска височина со соодветна референтна надморска височина во оригиналниот тековен профил, а потоа добијте ја брзината на струјата од таа мапирана позиција.

За поедноставен пристап на линеарно истегнување, врската може да се изрази како:

z' = -d + (z + d) × d / (d + η)

каде:

• d= длабочина на атмосферските води
• η= моментална елевација на бранот
• z= моментална надморска височина на локацијата на конструкцијата
• z'= мапирана елевација во оригиналниот тековен профил

Истиот вертикален референтен систем треба да се користи заz, z' и η, со позитивни вредности нагоре.

На пример, претпоставете:

• Длабочина на водата:d = 80 м
• Висина на бранот:η = +8 м

Мапирањето може да се илустрира на следниов начин:

Ова значи дека брзината на струјата приz = +4 мсе добива со евалуација на оригиналниот тековен профил на приближноz' = −3,64 м.

Пример за интерполација на брзината на струјата

Да претпоставиме дека оригиналниот тековен профил има:

• Брзина на струјата при z = 0 m:1,5 м/с
• Брзина на струјата при z = −20 m:1,2 м/с

Ако се користи линеарна интерполација, мапираната брзина на приближно −3,64 m може да се добие од овие две вредности.

Важната поента е:

Истегнувањето ја менува позицијата од која се добива брзината на струјата. Тоа не ги множи сите брзини на струјата едноставно со 88/80.

Оваа разлика е од суштинско значење при толкување на трансформациите на профилот на струјата во офшор хидродинамичката анализа.

4. Линеарно наспроти нелинеарно истегнување на профилот на струја

Тековното истегнување на профилот не е нужно ограничено на еден математички метод.

API RP 2A-WSD, 22-ро издание, дел 5.3.1.2.6го идентификува нелинеарното истегнување како претпочитан метод под условите опишани од стандардот, а истовремено дискутира за приближни пристапи за одредени карактеристики на профилот на струјата.

За релативно дебела површинска плоча со приближно рамномерна распределба на брзината, едноставното вертикално продолжување може да обезбеди разумна апроксимација на нелинеарно истегнување.

За други типови на тековни профили,линеарното истегнување може да се користи и како инженерска апроксимација, во зависност од применливите услови и методологијата на анализа.

Затоа, треба да се избегнат два заклучоци:

• Не е точно да се претпоставува дека секој тековен профил може едноставно да се прошири нагоре без разгледување.
• Исто така, не е точно да се претпостави дека линеарното истегнување е универзално неприфатливо.

Изборот треба да се базира на карактеристиките на тековниот профил, применливиот стандард за дизајн и барањата за анализа.

Тековен профил наспроти бранова кинематика

Друга важна разлика е тоа штоИстегнувањето на профилот на струјата и кинематиката на брановите не се ист физички процес.

Истегнувањето на струјата одредува како профилот на брзината на струјата е мапиран во моментално навлажнетата област.

Методи како што сеВилер истегнувањесе поврзани со третманот на брановата кинематика.

Иако слични концепти за мапирање на елевација може да се појават во различни формулации, тие не треба автоматски да се толкуваат како иста софтверска поставка или иста физичка корекција.

5. Брзините на брановите и струите мора да се комбинираат како вектори

Откако ќе се одреди локалната брзина на струјата, таа може да се комбинира со брзината предизвикана од бранот.

Сепак, брзините треба да се комбинираат каковектори, наместо едноставно да се додаваат нивните магнитуди.

На пример, во одреден момент и време:

• Брзина на бранот =3 м/с кон исток
• Брзина на струја =1 м/с кон север

Резултантната хоризонтална брзина е:

U = √(3² + 1²) ≈ 3,16 м/с

Затоа не е 4 м/с.

Ако брзините на бранот и струјата се колинеарни и во иста насока, нивните означени брзини можат директно да се соберат.

На пример:

3 м/с + 1 м/с = 4 м/с

Но, кога насоките се разликуваат, потребно е собирање на вектори.

6. Релевантната брзина за конструктивен елемент е нормалната компонента

За офшор цевчести конструкции, друг важен фактор е насоката на хидродинамичката сила во однос на елементот.

Брзината што се користи за компонентата на отпор генерално треба да се земе предвид во однос накомпонента на протокот нормално на структурниот елемент.

Ова значи дека големината на вкупната брзина на околината не треба автоматски да се применува на секој наклонет или различно ориентиран цевчест елемент.

За член со произволна ориентација:

1. Определете ја локалната брзина на бранот.
2. Определете ја локалната брзина на струјата.
3. Комбинирајте ги во конзистентен координатен систем.
4. Определете ја релативната брзина на проток.
5. Расчленете ја брзината во компонентата нормална на членот.
6. Применете ја соодветната хидродинамичка формулација.

Ако самиот структурен елемент се движи, релевантната количина треба да го земе предвид ирелативна брзина помеѓу водата и членот.

7. Зошто разликата станува значајна во терминот Морисон Драг

Важноста на правилното комбинирање на брзините на брановите и струите станува појасна кога се испитува Морисоновата равенка.

За фиксен кружен цилиндар подложен на еднодимензионален попречен тек, силата на отпор по единица должина може да се изрази во поедноставена форма како:

Fᴅ = ½ ρ Cᴅ DU |U|

каде:

• Фа= сила на влечење по единица должина
• ρ= густина на вода
• Ка= коефициент на отпор
• D= дијаметар на елементот
• U= означена релативна брзина на проток нормална на членот

Важна карактеристика е терминот:

У |У|

Затоа, силата на отпор е нелинеарна во однос на брзината.

8. Пример: Одделни бранови и струјни оптоварувања наспроти комбинирана брзина

Разгледајте поедноставен случај каде што:

• Брзина на бранот =3 м/с
• Брзина на струја =1 м/с
• И двајцата дејствуваат во иста насока

Ако силите на влечење на брановите и струите се пресметаат одделно, а потоа се соберат, членовите на квадратот на брзината се:

3² + 1² = 10

Ако брзините прво се комбинираат и потоа се пресмета силата на отпор:

(3 + 1)² = 16

Разликата доаѓа од вкрстениот член:

2 × 3 × 1 = 6

Вредностите10 и 16 се членови на квадратна брзина, со единици m²/s². Тие не се сили во kN и сами по себе не го претставуваат вкупното хидродинамичко оптоварување.

Овој поедноставен пример покажува зошто:

Независно пресметување на отпорот на брановите и струите, а потоа собирање на резултатите, генерално не е еквивалентно на пресметување на отпорот од комбинираната локална брзина.

Разликата е особено значајна кога брзините на брановите и струите се големи и дејствуваат во иста насока.

9. Што се случува кога бранот и струјата дејствуваат во спротивни насоки?

Истиот принцип важи и кога брзините на брановите и струите дејствуваат во спротивни насоки, но означената брзина мора да се задржи.

На пример:

• Брзина на бранот = +3 м/с
• Брзина на струја = −1 m/s

Комбинираната брзина е:

U = +3 − 1 = +2 м/с

Соодветниот термин за отпор на квадратна брзина се базира на:

U |U| = 2 × 2 = 4

Ова илустрира зошто не е точно да се заклучи дека одделното пресметување секогаш ќе произведе помало оптоварување.

Во зависност од релативната насока и фаза на бранот и брзините на струјата, разликата може да се промени во големината и насоката.

10. Морисоновата равенка вклучува и инерцијален член

Поедноставениот пример погоре се фокусира само на компонентата за влечење.

Комплетната формулација на Морисон исто така содржиинерција поврзана со забрзување на честичките вода.

Затоа, целосното хидродинамичко оптоварување со бранова струја не може да се претстави едноставно со тоа што ќе се каже дека целото оптоварување е пропорционално на квадратот на брзината.

Компонентата на отпорот најјасно го демонстрира нелинеарниот ефект, додека компонентата на инерција мора да се третира според применливата хидродинамичка формулација и кинематика на брановите.

Оваа разлика е важна при толкување на резултатите од офшор структурната анализа.

11. Интеракција бран-струја во SACS: Што треба да проверат инженерите?

При моделирање на ефектите на бранови и струи воSACS, инженерот треба да погледне подалеку од името на товарниот случај.

Оптоварување наречено„Бран + струја“Само по себе не докажува дека основниот физички процес е правилно моделиран.

Треба да се проверат неколку аспекти:

1. Референца за нивото на водата

Осигурајте се дека следново е конзистентно дефинирано:

• Ниво на мирна вода
• Ниво на дождовна вода
• Висина на бранот
• Структурни издигнувања
• Референтни височини на тековен профил

Неконзистентна вертикална референца може да резултира со неправилно мапирање на струјата.

2. Истегнување на тековниот профил

Проверете дали тековниот профил е:

• Истегнато
• Проширено
• Интерполирано
• Изменето со друга трансформација

Избраниот метод треба да биде во согласност со применливата методологија за дизајнирање.

3. Кинематика на бранови

Проверете како софтверот генерира брзина и забрзување на бран-честички.

Трансформацијата на струјниот профил и браново-кинематичкото истегнување не треба автоматски да се третираат како ист процес.

4. Насока на бран-струја

Проверете го релативниот агол помеѓу ширењето на бранот и насоката на струјата.

За неколинеарни услови на бранови и струи, обете насочени компоненти можат да влијаат на анализата.

5. Нормална брзина на членовите

За секој структурен елемент, потврдете дека се користи соодветната компонента на проток во однос на ориентацијата на елементот.

6. Релативна брзина

Доколку движењето на структурата е релевантно, проверете дали хидродинамичката формулација ја користи соодветната релативна брзина од вода до елемент.

7. Компоненти на отпор и инерција

Прегледајте ги одделните придонеси од:

• Сила на влечење
• Сила на инерција
• Вкупна хидродинамичка сила

Не го толкувајте примерот само со влечење како претставник на целото оптоварување на Морисон.

12. Не треба да се мешаат очигледниот период на бранот и брзината на струјата

Друго важно прашање во анализата на офшор е брзината на струјата што се користи за проценкаочигледен бранов период.

Струјата што се користи за оваа намена не е нужно идентична со вредноста на струјата што веќе е изменета поради структурна блокада или локални ефекти.

Според методологијата на API дискутирана погоре, периодот на очигледен бран треба да се оцени со користење нанепречена струја на слободен тек, наместо струја која веќе е намалена поради структурна блокада.

За неколинеарни услови на бранови и струи, компонентата на струјата долж насоката на бранот е релевантна за проценка на очигледниот бранов период.

Во исто време, профилот на струја што се користи во пресметката на хидродинамичкото оптоварување може да бара соодветно мапирање на профилот и насочен третман.

Затоа:

Тековната вредност изменета за една цел на анализата не треба автоматски да се користи повторно за секој друг чекор на пресметка.

13. Суперпозицијата на структурните оптоварувања не е исто што и генерирањето на оптоварувања во животната средина

Критичен концепт во анализата на офшор структурните анализи е разликата помеѓугенерирање на оптоварувањеисуперпозиција на структурен одговор.

Под соодветни линеарни структурни услови, структурните одговори може да се суперпонираат.

Сепак, ова не значи дека хидродинамичките сили на животната средина што ги генерирале тие реакции секогаш можат да се пресметаат независно, а потоа линеарно да се соберат.

На пример:

Брзина на бранот + брзина на струјата → локална комбинирана брзина → хидродинамичка сила → структурен одговор

е фундаментално различен од:

Сила на бран + сила на струја → структурен одговор

кога самата хидродинамичка сила е нелинеарна во однос на брзината.

Оваа разлика е особено важна за товарењето со влечна сила на Морисон.

14. Практичен работен тек за анализа на оптоварување со бранова струја

Практичниот инженерски работен процес може да се сумира на следниов начин:

Чекор 1 — Утврдување на нивото на водата

Дефинирајте го релевантното референтно ниво на мирна вода или атмосферска вода и осигурајте се дека сите надморски височини користат иста податочна точка.

Чекор 2 — Дефинирајте ја површината на бранот

Определете ја моменталната елевација на бранот на локацијата и фазата што се оценуваат.

Чекор 3 — Мапирајте го тековниот профил

Определете ја брзината на струјата што одговара на моменталната навлажнета надморска височина користејќи ја применливата трансформација на профилот на струја.

Чекор 4 — Одредување на кинематиката на бранот

Пресметајте ја локалната брзина и забрзување предизвикани од бран на истата локација и фаза.

Чекор 5 — Комбинирајте ги брзините на брановите и струите

Изврши собирање вектори во конзистентен координатен систем.

Чекор 6 — Одредување на релативниот проток

Земете ја предвид ориентацијата на членовите и, каде што е применливо, движењето на структурата.

Чекор 7 — Пресметка на хидродинамичка сила

Нанесете ја соодветната Морисонова или друга хидродинамичка формулација.

Чекор 8 — Проверете ги компонентите за насока

Потврдете дека за секој структурен елемент се користени точните компоненти на нормалната и тангенцијалната брзина.

Чекор 9 — Преглед на SACS излезот

Проверете ги основните претпоставки и излезни количини, наместо да се потпирате само на имињата на оптоварувањата.

Чекор 10 — Валидирајте според применливиот стандард

Прегледајте ги релевантните барања за API, спецификациите на проектот, документацијата за софтверот и претпоставките за анализа.

15. Клучни заклучоци

Правилниот третман на оптоварувањето со бранови и струи е фундаменталнопроблем со кинематиката на водата пред да стане проблем со структурно оптоварување.

Клучните принципи се:

• Брзините на брановите и струите треба да се проценуваат на истата локација и во исто време.
• Профилите на струјата можеби ќе треба да се трансформираат кога моменталната слободна површина се разликува од референтното ниво на водата.
• Истегнувањето на тековниот профил ја менува позицијата на земање примероци од брзината; тоа не е само унифициран множител на брзина.
• Брзините на брановите и струите треба да се комбинираат како вектори.
• Компонентата на брзината нормална на структурниот елемент е важна за отпорот на Морисон.
• Релативната брзина на водата кон елементот треба да се земе предвид кога движењето на структурата е релевантно.
• Морисоновото отпор е нелинеарно бидејќи зависи од U|U|.
• Пресметувањето на отпорот на брановите и струите одделно и собирањето на резултатите генерално не е еквивалентно на пресметување на отпорот од комбинираната брзина.
• Морисоновиот термин на инерција бара посебно разгледување и не е претставен со едноставниот пример со квадратна брзина.
• Струјните вредности што се користат за проценка на очигледниот период не треба автоматски да се мешаат со блокираните или на друг начин изменетите струјни вредности што се користат на друго место.
• Суперпозицијата на структурниот одговор не имплицира дека хидродинамичките оптоварувања на животната средина секогаш можат да се генерираат независно и линеарно да се собираат.
• Самите имиња на SACS оптоварувачките случаи не се доволни за да се потврди физичката исправност на анализата на бранова струја.

Заклучок

Клучното прашање во комбинацијата на оптоварување од бран-струја не е само дали можат да се додадат две сили.

Пофундаменталното прашање е:

Како всушност се движи водата околу структурниот елемент на истата позиција и во ист момент?

Истегнувањето на струјниот профил одредувакаде што треба да се добие брзината на струјата.

Комбинацијата на вектори одредувакако меѓусебно дејствуваат брзините на брановите и струите.

Морисоновата равенка одредувакако добиеното движење на водата се претвора во хидродинамичка сила.

Овие чекори се физички поврзани и, генерално, не можат да се заменат едноставно со додавање на два независно пресметани резултати од оптоварувањето на животната средина.

За сигурна анализа на морската структура, инженерите треба да го разгледаат целиот синџир:

Ниво на вода → Профил на струја → Кинематика на бранови → Комбинација на брзина на бран-струја → Релативна брзина на елементите → Хидродинамичка сила → Структурен одговор

Овој пристап обезбедува физички поконзистентна основа за анализа на офшор цевчести структури подложени на комбинирано оптоварување со бранови и струи.

Често поставувани прашања

Може ли брановите и струјните оптоварувања едноставно да се соберат заедно?

Не во сите случаи. За Морисоновото отпорно оптоварување, брзините на брановите и струите генерално треба да се комбинираат пред да се пресмета хидродинамичкото отпорно оптоварување бидејќи силата на отпорот нелинеарно зависи од брзината.

Што е тековно истегнување на профилот?

Истегнувањето на профилот на струјата е метод за мапирање на оригиналниот профил на брзината на струјата на моменталниот навлажнет воден столб кога елевацијата на слободната површина се менува поради брановите.

Дали истегнувањето на струјата значи множење на брзината со фактор на скала?

Не. Општо земено, истегнувањето ја менува надморската височина на која се добива брзината на струјата од оригиналниот профил. Не треба да се толкува едноставно како множење на секоја брзина со заеднички фактор.

Која е разликата помеѓу кинематиката на бранот и истегнувањето на струјниот профил?

Кинематиката на брановите ја опишува брзината и забрзувањето поврзани со движењето на брановите. Истегнувањето на профилот на струјата го менува начинот на кој одреден профил на струја е претставен во рамките на моменталниот воден столб. Тие се поврзани со различни физички процеси.

Зошто силата на отпор на Морисон значително се менува кога бранот и струјата се комбинираат?

Бидејќи отпорниот член зависи од означената релативна брзина преку U|U|. Затоа, комбинираната брзина може да произведе вкрстени членови кои не се присутни кога силите на отпор на брановите и струите се пресметуваат независно.

Дали насоката на бранот и струјата е важна?

Да. Брзините на брановите и струите треба да се третираат како вектори. Нивната релативна насока влијае на добиената брзина, а со тоа и на хидродинамичката сила.

Дали треба да се користи вкупната брзина на водата за секој конструктивен елемент?

Не мора. За тенки цевчести елементи, компонентата на брзината нормална на елементот е особено релевантна за попречниот отпор. Затоа, ориентацијата на елементот мора да се земе предвид.

Може ли SACS автоматски да се справи со интеракцијата на бранови и струи?

Точниот третман зависи од верзијата на SACS, поставките за анализа, дефинициите за влез и избраната методологија. Инженерите треба да ја потврдат релевантната софтверска документација и излез, наместо да се потпираат само на името на случајот на оптоварување.

Дали комбинацијата на оптоварување со бран и струја е иста како и суперпозицијата на структурното оптоварување?

Не. Структурниот одговор може да се суперпонира под соодветни линеарни претпоставки, но генерирањето на хидродинамичка сила може да биде нелинеарно. Затоа, генерирањето на оптоварување од околината и суперпозицијата на структурниот одговор треба да се третираат како посебни концепти.