Valovne in tokovne obremenitve se ne sme obravnavati zgolj kot dve neodvisni obremenitvi, ki se izračunata ločeno in nato seštejeta.Pri strukturni analizi na morju je pravilen pristop najprej določiti lokalno gibanje vodnih delcev, ki ga povzročajo valovi in ​​tokovi na istem mestu in v istem času, združiti njihove komponente hitrosti v konsistentnem koordinatnem sistemu in nato izračunati nastalo hidrodinamično silo.

Ta razlika postane še posebej pomembna za priobalne konstrukcije, ki so izpostavljene velikim valovom, močnim tokovom in kompleksnim profilom tokov. Lahko bistveno vpliva na izračunano silo upora, zlasti kadar se Morisonova enačba uporablja za vitke cevaste elemente.

Ta članek pojasnjuje inženirska načela, na katerih temeljiinterakcija valov in toka, raztezanje profila toka, kombinacija vektorja hitrosti, Morisonova sila upora in modeliranje obremenitve valov in toka v SACS.

1. Zakaj valovnih in tokovnih obremenitev ni vedno mogoče neposredno sešteti

Pogost pristop pri analizi konstrukcij na morju je ločen izračun valovnih in tokovnih obremenitev ter nato seštevanje nastalih sil.

Vendar to ne predstavlja nujno dejanske hidrodinamične obremenitve na konstrukcijo.

Temeljno vprašanje je:

Kakšna je dejanska hitrost vode okoli konstrukcijskega elementa na istem mestu in v istem trenutku?

Valovno povzročena hitrost in hitrost toka obstajata v vodi hkrati. Zato je treba najprej določiti lokalno hitrost vode z združitvijo njunih vektorjev hitrosti. Nastala hitrost se nato uporabi za izračun hidrodinamične sile.

To je še posebej pomembno zakomponenta upora Morisonove enačbe, ker je sila upora sorazmerna s kvadratom relativne hitrosti.

Zato:

Najprej združevanje okoljskih hitrosti in nato izračun hidrodinamične sile običajno ni enakovredno ločenemu izračunu valovnih in tokovnih sil ter poznejšemu seštevanju rezultatov.

2. Od kod prihaja tok nad gladino mirne vode?

Razmislite o strukturi na morju, ki se nahaja v nevihtnih razmerah, kjer:

• Gladina mirujoče vode je definirana kotz = 0
• Globina vode je80 m
• Profil vhodnega toka je definiran le do gladine mirne vode
• Vrh vala dosežeη = +8 m

Ko greben vala prečka strukturo, se trenutna prosta površina dvigne na +8 m.

Strukturni element, ki se nahaja naz = +4 mje zato začasno potopljena.

Vendar pa prvotni profil toka ne poda neposredno hitrosti toka pri +4 m, ker je bil prvotni profil definiran le do gladine mirne vode.

Inženirski problem torej ni v tem, da se določi toknad vrhom valaNamesto tega je treba določiti trenutno hitrost v območju, ki je:

nad gladino mirne vode, vendar pod trenutno valovno površino.

En inženirski pristop je preoblikovanje trenutnega profila glede na trenutno višino proste površine. Trenutni profil se učinkovito raztegne ali stisne tako, da:

• Morsko dno ostaja povezano z morskim dnom
• Trenutna valovna površina ustreza zgornji meji prvotnega tokovnega profila

To zagotavlja enakomerno porazdelitev hitrosti toka po celotnem trenutno omočenem območju.

3. Raztezanje trenutnega profila: Kartiranje lokalne nadmorske višine

Raztezanja trenutnega profila ne smemo razlagati kot preprosto množenje vsake trenutne hitrosti s faktorjem skaliranja.

Ključna operacija je, dapreslikaj trenutno strukturno višino na ustrezno referenčno višino v prvotnem trenutnem profilu, nato pa iz tega preslikanega položaja pridobite trenutno hitrost.

Za poenostavljen pristop linearnega raztezanja lahko razmerje izrazimo kot:

z' = -d + (z + d) × d / (d + η)

kjer:

• d= globina meteorne vode
• η= trenutna višina valov
• z= trenutna nadmorska višina na lokaciji konstrukcije
• z'= preslikana nadmorska višina v prvotnem trenutnem profilu

Uporabiti je treba isti vertikalni referenčni sistem zaz, z' in η, s pozitivnimi vrednostmi navzgor.

Na primer, predpostavimo:

• Globina vode:d = 80 m
• Višina valov:η = +8 m

Preslikavo lahko ponazorimo na naslednji način:

To pomeni, da je trenutna hitrost priz = +4 mse dobi z oceno prvotnega trenutnega profila pri približnoz' = −3,64 m.

Primer interpolacije trenutne hitrosti

Predpostavimo, da ima prvotni trenutni profil:

• Hitrost toka pri z = 0 m:1,5 m/s
• Hitrost toka pri z = −20 m:1,2 m/s

Če uporabimo linearno interpolacijo, lahko iz teh dveh vrednosti dobimo preslikano hitrost pri približno -3,64 m.

Pomembna točka je:

Raztezanje spremeni položaj, iz katerega se izračuna trenutna hitrost. Ne gre zgolj za množenje vseh trenutnih hitrosti z 88/80.

To razlikovanje je bistveno pri interpretaciji transformacij profila toka v hidrodinamični analizi na morju.

4. Linearno in nelinearno raztezanje tokovnega profila

Raztezanje trenutnega profila ni nujno omejeno na eno matematično metodo.

API RP 2A-WSD, 22. izdaja, oddelek 5.3.1.2.6opredeljuje nelinearno raztezanje kot prednostno metodo v pogojih, opisanih v standardu, hkrati pa obravnava tudi približne pristope za posebne značilnosti tokovnega profila.

Za relativno debelo površinsko ploščo s približno enakomerno porazdelitvijo hitrosti lahko preprosto navpično raztezanje zagotovi razumen približek nelinearnemu raztezanju.

Za druge vrste trenutnih profilov,linearno raztezanje se lahko uporabi tudi kot inženirski približek, odvisno od ustreznih pogojev in metodologije analize.

Zato se je treba izogniti dvema sklepoma:

• Ni pravilno domnevati, da je mogoče vsak trenutni profil preprosto razširiti navzgor brez upoštevanja.
• Prav tako ni pravilno domnevati, da je linearno raztezanje splošno nesprejemljivo.

Izbira mora temeljiti na značilnostih trenutnega profila, veljavnem standardu načrtovanja in zahtevah analize.

Trenutni profil v primerjavi s kinematiko valov

Druga pomembna razlika je, daRaztezanje trenutnega profila in kinematika valov nista isti fizikalni proces.

Raztezanje toka določa, kako se profil hitrosti toka preslika v trenutno omočeno območje.

Metode, kot soWheelerjevo raztezanjeso povezani z obravnavo kinematike valov.

Čeprav se podobni koncepti kartiranja višin lahko pojavijo v različnih formulacijah, jih ne smemo samodejno razlagati kot isto nastavitev programske opreme ali isti fizični popravek.

5. Hitrosti valov in tokov morajo biti združene kot vektorji

Ko je lokalna hitrost toka določena, jo je mogoče kombinirati s hitrostjo, ki jo povzroči valovanje.

Vendar je treba hitrosti kombinirati kotvektorji, namesto da bi preprosto sešteli njihove velikosti.

Na primer, ob določeni točki in času:

• Hitrost valovanja =3 m/s proti vzhodu
• Trenutna hitrost =1 m/s proti severu

Nastala horizontalna hitrost je:

U = √(3² + 1²) ≈ 3,16 m/s

Torej ni 4 m/s.

Če sta hitrost valovanja in toka kolinearni in v isti smeri, lahko njuni predznačeni hitrosti neposredno seštejemo.

Na primer:

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

Ko pa se smeri razlikujejo, je potrebno seštevanje vektorjev.

6. Relevantna hitrost za konstrukcijski element je normalna komponenta

Pri cevnih konstrukcijah na morju je pomemben dejavnik tudi smer hidrodinamične sile glede na element.

Hitrost, uporabljena za komponento upora, je treba na splošno upoštevati v povezavi zkomponenta toka, normalna na konstrukcijski element.

To pomeni, da se velikost celotne okoljske hitrosti ne sme samodejno uporabiti za vsak nagnjen ali različno usmerjen cevni element.

Za člana s poljubno orientacijo:

1. Določite lokalno hitrost valovanja.
2. Določite lokalno hitrost toka.
3. Združite jih v enoten koordinatni sistem.
4. Določite relativno hitrost pretoka.
5. Hitrost razdelite na komponento, ki je normalna na element.
6. Uporabite ustrezno hidrodinamično formulacijo.

Če se sam konstrukcijski element premika, mora ustrezna količina upoštevati tudirelativna hitrost med vodo in členom.

7. Zakaj razlika postane pomembna v Morisonovem Drag izrazu

Pomen pravilne kombinacije hitrosti valov in tokov postane jasnejši pri preučevanju Morisonove enačbe.

Za fiksni krožni valj, ki je izpostavljen enodimenzionalnemu prečnemu toku, lahko silo upora na enoto dolžine poenostavljeno izrazimo kot:

Fᴅ = ½ ρ Cᴅ DU |U|

kjer:

• Fᴅ= sila upora na enoto dolžine
• ρ= gostota vode
• Cᴅ= koeficient upora
• D= premer elementa
• U= predznačena relativna hitrost pretoka, normalna na element

Pomembna značilnost je izraz:

U |U|

Zato je sila upora nelinearna glede na hitrost.

8. Primer: Ločene valovne in tokovne obremenitve v primerjavi s kombinirano hitrostjo

Razmislite o poenostavljenem primeru, kjer:

• Hitrost valovanja =3 m/s
• Trenutna hitrost =1 m/s
• Oba delujeta v isto smer

Če se sile upora valov in toka izračunajo ločeno in nato seštejejo, so členi kvadrata hitrosti:

3² + 1² = 10

Če najprej združimo hitrosti in nato izračunamo silo upora:

(3 + 1)² = 16

Razlika izhaja iz navzkrižnega izraza:

2 × 3 × 1 = 6

Vrednote10 in 16 sta člena, ustvarjena s kvadratom hitrosti, z enotami m²/s². To niso sile v kN in same po sebi ne predstavljajo celotne hidrodinamične obremenitve.

Ta poenostavljeni primer prikazuje, zakaj:

Izračun valovnega in tokovnega upora ločeno in nato seštevanje rezultatov običajno ni enakovredno izračunu upora iz kombinirane lokalne hitrosti.

Razlika je še posebej pomembna, kadar sta hitrosti valov in toka veliki in delujeta v isto smer.

9. Kaj se zgodi, ko val in tok delujeta v nasprotnih smereh?

Enako načelo velja, kadar hitrosti valov in toka delujejo v nasprotnih smereh, vendar je treba ohraniti predznačeno hitrost.

Na primer:

• Hitrost valovanja = +3 m/s
• Hitrost toka = −1 m/s

Kombinirana hitrost je:

U = +3 − 1 = +2 m/s

Ustrezni člen upora, izražen s kvadratom hitrosti, temelji na:

U |U| = 2 × 2 = 4

To ponazarja, zakaj ni pravilno sklepati, da bo ločen izračun vedno povzročil manjšo obremenitev.

Glede na relativno smer in fazo valovanja in hitrosti toka se lahko razlika spreminja v velikosti in smeri.

10. Morisonova enačba vključuje tudi inercijski člen

Poenostavljeni zgornji primer se osredotoča le na komponento vlečenja.

Celotna Morisonova formulacija vsebuje tudiinercijski izraz, povezan s pospeškom vodnih delcev.

Zato celotne hidrodinamične obremenitve valovnega toka ni mogoče predstaviti preprosto z izjavo, da je celotna obremenitev sorazmerna s kvadratom hitrosti.

Komponenta upora najjasneje kaže nelinearni učinek, medtem ko je treba vztrajnostno komponento obravnavati v skladu z ustrezno hidrodinamično formulacijo in kinematiko valov.

Ta razlika je pomembna pri interpretaciji rezultatov strukturnih analiz na morju.

11. Interakcija valov in tokov v SACS: Kaj naj preverijo inženirji?

Pri modeliranju valovnih in tokovnih učinkov vSACS, bi moral inženir pogledati dlje od imena obtežnega primera.

Obtežni primer, imenovan"Val + tok"samo po sebi ne dokazuje, da je bil osnovni fizikalni proces pravilno modeliran.

Preveriti je treba več vidikov:

1. Referenčna gladina vode

Prepričajte se, da so naslednji elementi dosledno opredeljeni:

• gladina mirne vode
• Gladina meteorne vode
• Višina valov
• Strukturne višine
• Referenčne nadmorske višine trenutnega profila

Nedosledna navpična referenca lahko povzroči napačno preslikavo toka.

2. Raztezanje trenutnega profila

Preverite, ali je trenutni profil:

• Raztegnjeno
• Razširjeno
• Interpolirano
• Spremenjeno z drugo transformacijo

Izbrana metoda mora biti skladna z veljavno metodologijo načrtovanja.

3. Kinematika valov

Preverite, kako programska oprema generira hitrost in pospešek valov-delcev.

Transformacije tokovnega profila in kinematičnega raztezanja valov se ne smeta samodejno obravnavati kot isti proces.

4. Smer valovnega toka

Preverite relativni kot med širjenjem valovanja in smerjo toka.

Pri nekolinearnih valovnih in tokovnih pogojih lahko na analizo vplivata obe smerni komponenti.

5. Normalna hitrost člana

Za vsak konstrukcijski element preverite, ali se uporablja ustrezna komponenta toka glede na orientacijo elementa.

6. Relativna hitrost

Če je strukturno gibanje pomembno, preverite, ali hidrodinamična formulacija uporablja ustrezno relativno hitrost vode glede na element.

7. Komponente upora in vztrajnosti

Preglejte posamezne prispevke:

• Sila vlečenja
• Vztrajnostna sila
• Skupna hidrodinamična sila

Primera samo vlečenja ne razlagajte kot prikaz celotne Morisonove obremenitve.

12. Navideznega valovnega obdobja in hitrosti toka ne smemo zamenjevati

Drugo pomembno vprašanje pri analizi na morju je hitrost toka, ki se uporablja za ocenonavidezno valovno obdobje.

Tok, ki se uporablja za ta namen, ni nujno enak vrednosti toka, ki je bila že spremenjena zaradi strukturne blokade ali lokalnih učinkov.

V skladu z zgoraj omenjeno metodologijo API je treba navidezno valovno obdobje oceniti z uporabonemoten prosti tok, namesto toka, ki ga je že zmanjšala strukturna blokada.

Pri nekolinearnih valovnih in tokovnih pogojih je za oceno navideznega valovnega obdobja pomembna komponenta toka vzdolž smeri valovanja.

Hkrati lahko trenutni profil, uporabljen pri izračunu hidrodinamične obremenitve, zahteva ustrezno kartiranje profila in smerno obdelavo.

Zato:

Trenutne vrednosti, spremenjene za en namen analize, se ne sme samodejno ponovno uporabiti za vsak drug korak izračuna.

13. Superpozicija strukturnih obremenitev ni enaka nastanku okoljskih obremenitev.

Ključni koncept pri strukturni analizi na morju je razlika medgeneriranje obremenitveinsuperpozicija strukturnega odziva.

V ustreznih linearnih strukturnih pogojih se lahko strukturni odzivi prekrivajo.

Vendar to ne pomeni, da je mogoče okoljske hidrodinamične sile, ki so povzročile te odzive, vedno izračunati neodvisno in jih nato linearno sešteti.

Na primer:

Hitrost valovanja + hitrost toka → lokalna kombinirana hitrost → hidrodinamična sila → strukturni odziv

se bistveno razlikuje od:

Valovna sila + sila toka → strukturni odziv

ko je hidrodinamična sila sama po sebi nelinearna glede na hitrost.

Ta razlika je še posebej pomembna za Morisonovo obremenitev z uporom.

14. Praktični potek dela za analizo obremenitve valovnega toka

Praktični inženirski potek dela lahko torej povzamemo takole:

1. korak – Določite nivo vode

Določite ustrezno referenčno raven za stoječo ali meteorno vodo in zagotovite, da vse nadmorske višine uporabljajo isto referenčno točko.

2. korak – Določite valovno površino

Določite trenutno višino valov na lokaciji in v fazi, ki jo ocenjujete.

3. korak – Preslikava trenutnega profila

Z uporabo ustrezne transformacije profila toka določite hitrost toka, ki ustreza trenutni omočeni nadmorski višini.

4. korak – Določite kinematiko valov

Izračunajte lokalno hitrost in pospešek, ki ju povzroči valovanje, na isti lokaciji in v isti fazi.

5. korak – Združite hitrosti valov in toka

Izvedite seštevanje vektorjev v konsistentnem koordinatnem sistemu.

6. korak – Določite relativni pretok

Upoštevajte orientacijo elementov in, kjer je to primerno, strukturno gibanje.

7. korak – Izračun hidrodinamične sile

Uporabite ustrezno Morisonovo ali drugo hidrodinamično formulacijo.

8. korak – Preverite smerne komponente

Preverite, ali so bile za vsak konstrukcijski element uporabljene pravilne normalne in tangencialne komponente hitrosti.

9. korak – Pregled izhodnih podatkov SACS

Preverite osnovne predpostavke in izhodne količine, namesto da se zanašate le na imena primerov obremenitve.

10. korak – Preverjanje skladnosti z veljavnim standardom

Preglejte ustrezne zahteve API-ja, specifikacije projekta, dokumentacijo programske opreme in predpostavke analize.

15. Ključne ugotovitve

Pravilna obravnava valovnih in tokovnih obremenitev je v osnoviproblem kinematike vode, preden postane problem strukturne obremenitve.

Ključna načela so:

• Hitrosti valov in tokov je treba ovrednotiti na isti lokaciji in ob istem času.
• Trenutne profile bo morda treba preoblikovati, kadar se trenutna prosta gladina razlikuje od referenčne gladine vode.
• Raztezanje trenutnega profila spremeni položaj vzorčenja hitrosti; ne gre zgolj za enakomeren multiplikator hitrosti.
• Hitrosti valov in tokov je treba združiti kot vektorje.
• Za Morisonov upor je pomembna komponenta hitrosti, ki je normalna na konstrukcijski element.
• Relativno hitrost vode glede na element je treba upoštevati, kadar je pomembno strukturno gibanje.
• Morisonov upor je nelinearen, ker je odvisen od U|U|.
• Izračun valovnega in tokovnega upora ločeno ter seštevanje rezultatov običajno ni enakovredno izračunu upora iz skupne hitrosti.
• Morisonov vztrajnostni člen zahteva ločeno obravnavo in ni predstavljen s preprostim primerom kvadrata hitrosti.
• Trenutnih vrednosti, ki se uporabljajo za oceno navideznega obdobja, se ne sme samodejno zamenjati z blokiranimi ali kako drugače spremenjenimi trenutnimi vrednostmi, ki se uporabljajo drugje.
• Superpozicija strukturnega odziva ne pomeni, da se lahko okoljske hidrodinamične obremenitve vedno ustvarijo neodvisno in linearno seštevajo.
• Samo imena obremenitvenih primerov SACS niso zadostna za preverjanje fizične pravilnosti analize valovnega toka.

Zaključek

Ključno vprašanje pri kombinaciji obremenitve valovnega toka ni zgolj to, ali je mogoče sešteti dve sili.

Bolj temeljno vprašanje je:

Kako se voda dejansko giblje okoli konstrukcijskega elementa na istem mestu in v istem trenutku?

Raztezanje trenutnega profila določakjer je treba izmeriti hitrost toka.

Kombinacija vektorjev določakako hitrosti valov in tokov medsebojno delujejo.

Morisonova enačba določakako se nastalo gibanje vode pretvori v hidrodinamično silo.

Ti koraki so fizično povezani in jih na splošno ni mogoče nadomestiti zgolj z dodajanjem dveh neodvisno izračunanih rezultatov okoljske obremenitve.

Za zanesljivo analizo struktur na morju bi morali inženirji pregledati celotno verigo:

Gladina vode → Profil toka → Kinematika valov → Kombinacija hitrosti valov in toka → Relativna hitrost elementa → Hidrodinamična sila → Odziv strukture

Ta pristop zagotavlja bolj fizično dosledno osnovo za analizo cevastih struktur na morju, ki so izpostavljene kombinirani obremenitvi valov in tokov.

Pogosto zastavljena vprašanja

Ali se lahko valovne in tokovne obremenitve preprosto seštejejo?

Ne v vseh primerih. Pri Morisonovi obremenitvi z uporom je treba hitrosti valov in tokov običajno združiti pred izračunom hidrodinamičnega upora, ker je sila upora nelinearno odvisna od hitrosti.

Kaj je trenutno raztezanje profila?

Raztezanje profila toka je metoda preslikave prvotnega profila hitrosti toka na trenutni omočeni vodni stolpec, ko se višina proste površine spremeni zaradi valov.

Ali raztezanje toka pomeni množenje hitrosti s faktorjem merila?

Ne. Na splošno raztezanje spremeni nadmorsko višino, pri kateri se trenutna hitrost izračuna iz prvotnega profila. Tega ne smemo razlagati zgolj kot množenje vsake hitrosti s skupnim faktorjem.

Kakšna je razlika med kinematiko valov in raztezanjem profila toka?

Kinematika valov opisuje hitrost in pospešek, povezana z gibanjem valov. Raztezanje profila toka spreminja, kako je določen profil toka predstavljen v trenutnem vodnem stolpcu. Povezani so z različnimi fizikalnimi procesi.

Zakaj se Morisonova sila upora bistveno spremeni, ko se val in tok združita?

Ker je člen upora odvisen od predznačene relativne hitrosti prek U|U|. Zato lahko kombinirana hitrost ustvari navzkrižne člene, ki niso prisotni, ko se sile upora valov in toka izračunajo neodvisno.

Ali je smer valovanja in toka pomembna?

Da. Hitrosti valov in tokov je treba obravnavati kot vektorje. Njihova relativna smer vpliva na nastalo hitrost in s tem na hidrodinamično silo.

Ali naj se za vsak konstrukcijski element uporabi skupna hitrost vode?

Ni nujno. Pri vitki cevasti konstrukciji je za prečni upor še posebej pomembna komponenta hitrosti, ki je normalna na konstrukcijo. Zato je treba upoštevati orientacijo konstrukcije.

Ali lahko SACS samodejno obvladuje interakcijo valov in tokov?

Natančna obravnava je odvisna od različice SACS, nastavitev analize, definicij vhodnih podatkov in izbrane metodologije. Inženirji bi morali preveriti ustrezno dokumentacijo programske opreme in izhodne podatke, namesto da se zanašajo zgolj na ime obtežnega primera.

Ali je kombinacija valovno-tokovne obremenitve enaka kot superpozicija strukturne obremenitve?

Ne. Strukturni odziv se lahko superponira pod ustreznimi linearnimi predpostavkami, vendar je lahko nastanek hidrodinamične sile nelinearen. Zato je treba nastanek okoljske obremenitve in superpozicijo strukturnega odziva obravnavati kot ločena koncepta.