波浪和水流载荷不应简单地视为两个独立的载荷，分别计算后再相加。在海上结构分析中，正确的方法是首先确定同一位置和时间由波浪和水流引起的局部水质点运动，将它们的速度分量组合在一个一致的坐标系中，然后计算由此产生的水动力。

对于暴露于巨浪、强流和复杂流态的近海结构而言，这种区别尤为重要。它会显著影响计算出的阻力，尤其是在使用莫里森方程计算细长管状构件时。

本文解释了其背后的工程原理。SACS中的波流相互作用、流速剖面拉伸、速度矢量组合、莫里森阻力和波流载荷建模.

1. 为什么波浪和电流负载不能总是直接相加

海上结构分析中常用的方法是分别计算波浪载荷和水流载荷，然后将产生的力相加。

然而，这并不一定代表结构上实际的流体动力载荷。

根本问题是：

在同一位置、同一时刻，结构构件周围的实际水流速度是多少？

水体中同时存在波浪引起的速度和水流速度。因此，首先需要通过组合二者的速度矢量来确定局部水流速度。然后，利用该速度矢量计算水动力。

这一点对……尤其重要莫里森方程的阻力分量因为阻力与相对速度的平方成正比。

所以：

先将环境速度结合起来再计算水动力，通常不等同于分别计算波浪力和水流力，然后再将结果相加。

2. 静水面以上的水流来自哪里？

考虑一个位于风暴环境中的海上结构物：

• 静水位定义为z = 0
• 水深是80米
• 输入电流曲线仅在静水位之前定义。
• 波峰到达η = +8 米

当波峰经过该结构时，瞬时自由表面上升至 +8 米。

位于此处的结构构件z = +4 米因此暂时被淹没。

但是，原始当前剖面图并不能直接提供 +4 米处的流速，因为原始剖面图仅定义到静水面。

因此，工程问题不在于确定电流波峰以上相反，它的目的是确定该区域内的当前速度：

高于静水面但低于瞬时波面。

一种工程方法是根据瞬时自由表面高程对水流剖面进行变换。水流剖面会被有效地拉伸或压缩，从而：

• 海底仍然与海底相关
• 瞬时波面对应于原始电流剖面的上边界。

这样就在整个瞬时湿润区域内实现了一致的流速分布。

3. 当前剖面拉伸：绘制局部高程图

当前剖面拉伸不应被简单地解释为将每个流速乘以一个比例因子。

关键操作是将当前结构标高映射到原始当前剖面中相应的参考标高然后从映射位置获取当前速度。

对于简化的线性拉伸方法，该关系可以表示为：

z' = -d + (z + d) × d / (d + η)

在哪里：

• d= 雨水深度
• η= 瞬时波高
• z= 结构位置的当前标高
• z'= 原始当前剖面中的映射高程

应使用相同的垂直参考系统z、z' 和 η正值向上。

例如，假设：

• 水深：d = 80 米
• 波浪高度：η = +8 米

该映射关系可表示如下：

这意味着当前速度z = +4 米是通过评估原始电流曲线在大约z' = −3.64 米.

当前速度插值示例

假设原始电流分布情况如下：

• z = 0 m 处的流速：1.5 米/秒
• z = −20 m 处的流速：1.2 米/秒

如果采用线性插值，则可从这两个值获得约 -3.64 米处的映射速度。

重点是：

拉伸改变了获取当前速度的基准位置，而不是简单地将所有当前速度乘以 88/80。

在解释近海水动力分析中的当前剖面变化时，这种区别至关重要。

4. 线性与非线性电流分布拉伸

当前轮廓拉伸并不一定局限于一种数学方法。

API RP 2A-WSD，第 22 版，第 5.3.1.2.6 节在标准规定的条件下，将非线性拉伸确定为首选方法，同时还讨论了特定电流分布特征的近似方法。

对于速度分布大致均匀的相对较厚的表面板，简单的垂直拉伸可以合理地近似非线性拉伸。

对于其他类型的电流配置文件，线性拉伸也可作为工程近似方法。根据适用条件和分析方法而定。

因此，应避免得出以下两个结论：

• 认为所有现有曲线都可以不加考虑地向上延伸是不正确的。
• 认为线性拉伸在普遍意义上都是不可接受的也是不正确的。

选择应基于当前轮廓的特点、适用的设计标准和分析要求。

当前剖面与波浪运动学

另一个重要的区别是：当前剖面拉伸和波运动学并非同一物理过程。.

当前拉伸决定了当前速度剖面如何映射到瞬时湿润区域。

例如以下方法惠勒伸展与波运动学的处理有关。

尽管类似的高程测绘概念可能出现在不同的表述中，但它们不应自动被解释为相同的软件设置或相同的物理校正。

5. 波速和流速必须以矢量形式组合。

一旦确定了局部流速，就可以将其与波浪引起的流速结合起来。

然而，这些速度应该结合起来考虑。向量而不是简单地将它们的大小相加。

例如，在某个特定的时间和地点：

• 波速 =向东 3 米/秒
• 当前速度 =向北以 1 米/秒的速度运动

合力水平速度为：

U = √(3² + 1²) ≈ 3.16 米/秒

因此，它不是 4 米/秒。

如果波速和流速共线且方向相同，则它们的有符号速度可以直接相加。

例如：

3 米/秒 + 1 米/秒 = 4 米/秒

但当方向不同时，就需要进行向量加法。

6. 结构构件的相关速度是其法向分量。

对于海上管状结构，另一个重要的考虑因素是水动力相对于构件的方向。

用于阻力分量的速度通常应与以下因素相关考虑：垂直于结构构件的流动分量.

这意味着整体环境速度的大小不应自动应用于每个倾斜或不同方向的管状构件。

对于具有任意取向的成员：

1. 确定局部波速。
2. 确定局部流速。
3. 将它们组合到一个统一的坐标系中。
4. 确定相对流速。
5. 将速度分解为垂直于构件的分量。
6. 应用适当的流体动力学公式。

如果结构构件本身在移动，则相关量也需要考虑这一点。水与构件之间的相对速度.

7. 为什么这种差异在莫里森拖曳项中变得显著

通过研究莫里森方程，可以更清楚地看出正确结合波速和流速的重要性。

对于受一维横向流动作用的固定圆柱体，单位长度上的阻力可以简化表示为：

Fᴅ = ½ ρ Cᴅ DU |U|

在哪里：

• Fᴅ= 单位长度的阻力
• ρ= 水密度
• Cᴅ= 阻力系数
• D= 构件直径
• U= 垂直于构件的有符号相对流速

关键特征是这个术语：

U |U|

因此，阻力与速度之间是非线性关系。

8. 示例：单独的波浪和水流载荷与组合速度

考虑一个简化的情况：

• 波速 =3 米/秒
• 当前速度 =1 米/秒
• 两者作用方向相同

如果分别计算波浪阻力和水流阻力，然后再相加，则速度平方项为：

3² + 1² = 10

如果先将速度相加，然后再计算阻力：

(3 + 1)² = 16

区别在于交叉项：

2 × 3 × 1 = 6

数值第 10 和 16 项是速度平方项单位为m²/s²。它们不是以kN为单位的力，本身也不能代表总的水动力载荷。

这个简化的例子说明了原因：

分别计算波浪阻力和水流阻力，然后将结果相加，通常不等同于根据局部速度的组合来计算阻力。

当波浪和水流速度较大且方向相同时，这种差异尤为显著。

9. 当波和水流方向相反时会发生什么？

当波速和流速方向相反时，也适用同样的原理，但必须保留速度的符号。

例如：

• 波速 = +3 米/秒
• 当前流速 = −1 米/秒

合成速度为：

U = +3 − 1 = +2 米/秒

相应的速度平方阻力项基于：

U |U| = 2 × 2 = 4

这说明为什么得出“单独计算总会产生更小的负荷”的结论是不正确的。

根据波速和流速的相对方向和相位，这种差异的大小和方向也会发生变化。

10. 莫里森方程还包含惯性项

上面的简化示例只关注拖拽分量。

完整的莫里森配方中还包含与水粒子加速相关的惯性项.

因此，不能简单地说整个波流水动力载荷与速度的平方成正比来表示完整的波流水动力载荷。

阻力分量最明显地体现了非线性效应，而惯性分量则必须根据适用的流体动力学公式和波浪运动学进行处理。

在解读海上结构分析结果时，这种区别非常重要。

11. SACS 中的波流相互作用：工程师应该检查什么？

在模拟波浪和水流效应时南美工程师应该超越载荷工况的名称来看待问题。

载荷情况“波浪+水流”这本身并不能证明所模拟的物理过程是正确的。

需要检查以下几个方面：

1. 水位参考

请确保以下内容定义一致：

• 静水位
• 暴雨水位
• 波浪高度
• 结构立面图
• 当前剖面参考高程

垂直参考系不一致会导致电流映射错误。

2. 当前轮廓拉伸

检查当前配置文件是否为：

• 拉伸
• 扩展
• 插值
• 经另一次变换修改

所选方法应与适用的设计方法相一致。

3. 波动运动学

检查软件如何生成波粒速度和加速度。

当前轮廓变换和波运动学拉伸不应自动视为同一过程。

4. 波流方向

检查波浪传播方向与水流方向之间的相对角度。

对于非共线波和流的情况，两个方向分量都可能影响分析结果。

5. 构件法向速度

对于每个结构构件，验证是否使用了与构件方向相关的适当流动分量。

6. 相对速度

如果结构运动相关，请验证水动力学公式是否使用了适当的水与构件之间的相对速度。

7.阻力和惯性分量

请查看以下各项的贡献：

• 阻力
• 惯性力
• 总流体动力

不要将仅拖拽示例解释为代表完整的莫里森载荷。

12. 表观波周期和流速不应混淆

海上分析中的另一个重要问题是用于估算的当前流速。表观波周期.

用于此目的的电流不一定与已经因结构阻塞或局部效应而修改过的电流值相同。

根据上文讨论的API方法，应使用以下方法评估表观波周期：未受干扰的自由流而不是已经被结构性阻塞而减弱的电流。

对于非共线波和流的情况，沿波方向的流分量与表观波周期估计有关。

同时，当前水动力载荷计算中使用的剖面可能需要适当的剖面映射和方向处理。

所以：

为某个分析目的而修改的当前值不应自动用于其他所有计算步骤。

13. 结构荷载叠加与环境荷载产生并不相同

海上结构分析中的一个关键概念是以下两者之间的差异：负荷生成和结构响应叠加.

在适当的线性结构条件下，结构响应可以叠加。

然而，这并不意味着产生这些响应的环境流体动力总是可以独立计算，然后线性相加。

例如：

波速 + 水流速度 → 局部合速度 → 水动力 → 结构响应

与以下情况有根本区别：

波浪力 + 水流力 → 结构响应

当流体动力本身与速度呈非线性关系时。

这种区别对于莫里森拖曳载荷而言尤为重要。

14. 波流载荷分析的实用工作流程

因此，一个实用的工程工作流程可以概括如下：

第一步——确定水位

确定相关的静水或雨水参考水位，并确保所有标高均使用同一基准面。

步骤 2 — 定义波面

确定待评估位置和相位处的瞬时波高。

步骤 3 — 绘制当前概况

利用适用的流速剖面变换，确定与瞬时湿位对应的流速。

步骤 4 — 确定波的运动学特征

计算同一位置和相位处的局部波致速度和加速度。

第五步——结合波速和流速

在一致的坐标系中进行向量加法运算。

步骤 6 — 确定相对流量

考虑构件方向，并在适用情况下考虑结构运动。

步骤 7 — 计算流体动力

应用适当的莫里森公式或其他流体动力学公式。

步骤 8 — 检查方向分量

确认每个结构构件都使用了正确的法向和切向速度分量。

步骤 9 — 查看 SACS 输出

要检查其基本假设和输出量，而不仅仅依赖于载荷工况名称。

步骤 10 — 根据适用标准进行验证

审查相关的 API 要求、项目规范、软件文档和分析假设。

15. 主要收获

正确处理波浪和水流载荷从根本上来说是一个在水运动学问题演变为结构荷载问题之前，先解决它。.

关键原则如下：

• 波浪速度和水流速度应在同一地点和时间进行评估。
• 当瞬时自由表面与参考水位不同时，可能需要对当前剖面进行转换。
• 当前轮廓拉伸改变了速度采样位置；它不是简单的均匀速度倍增器。
• 波速和流速应该以矢量形式结合起来。
• 垂直于结构构件的速度分量对于莫里森阻力很重要。
• 当结构运动相关时，应考虑水与构件的相对速度。
• 莫里森阻力是非线性的，因为它取决于 U|U|。
• 分别计算波浪阻力和水流阻力并将结果相加，通常不等同于根据组合速度计算阻力。
• 莫里森惯性项需要单独考虑，不能用简单的速度平方示例来表示。
• 用于视周期估计的电流值不应自动与其他地方使用的阻塞电流值或其他修改后的电流值混淆。
• 结构响应叠加并不意味着环境水动力载荷总是可以独立产生并线性叠加的。
• 单凭 SACS 载荷工况名称不足以验证波流分析的物理正确性。

结论

波浪-水流载荷组合的关键问题不仅仅是两个力是否可以相加。

更根本的问题是：

水在同一位置、同一时刻是如何绕着结构构件运动的？

当前轮廓拉伸决定应在此处获取当前速度.

向量组合决定波速和流速如何相互作用.

莫里森方程确定由此产生的水运动如何转化为流体动力.

这些步骤在物理上是相互关联的，一般来说，不能简单地通过将两个独立计算的环境负荷结果相加来替代。

为了进行可靠的海上结构分析，工程师应该审查整个流程：

水位 → 水流剖面 → 波浪运动学 → 波流速度组合 → 构件相对速度 → 水动力 → 结构响应

这种方法为分析承受波浪和水流联合载荷的海上管状结构提供了更物理一致的基础。

常见问题解答

波浪和电流的负载可以简单地相加吗？

并非所有情况都如此。对于莫里森阻力载荷，通常应在计算水动力阻力之前将波浪速度和流速结合起来，因为阻力与速度的关系并非线性。

什么是当前轮廓拉伸？

当前剖面拉伸是一种将原始流速剖面映射到瞬时湿水柱的方法，当自由表面高度因波浪而变化时，这种方法尤为有效。

电流拉伸是指速度乘以一个比例因子吗？

不。一般来说，拉伸会改变从原始剖面获得当前速度所依据的高度。它不应简单地理解为将所有速度乘以一个共同的因子。

波运动学和流速剖面拉伸有什么区别？

波运动学描述了与波运动相关的速度和加速度。流速剖面拉伸改变了特定流速剖面在瞬时水柱中的表示方式。它们与不同的物理过程相关。

为什么波浪和水流共同作用时，莫里森阻力会发生显著变化？

因为阻力项取决于有符号的相对速度 U|U|。因此，组合速度会产生交叉项，而当分别计算波浪和水流阻力时，这些交叉项并不存在。

波浪和水流的方向重要吗？

是的。波速和流速应该被视为矢量。它们的相对方向会影响合速度，进而影响水动力。

是否应将总水流速度应用于每个结构构件？

不一定。对于细长管状构件，垂直于构件的速度分量对横向阻力尤为重要。因此，必须考虑构件的方位。

SACS能否自动处理波浪和水流的相互作用？

具体处理方法取决于SACS版本、分析设置、输入定义和所选方法。工程师应核实相关软件文档和输出结果，而不仅仅依赖于载荷工况的名称。

波浪-水流载荷组合与结构载荷叠加是否相同？

不。在适当的线性假设下，结构响应可以叠加，但水动力的产生可能是非线性的。因此，环境荷载的产生和结构响应的叠加应视为两个不同的概念。