海洋石油工程環(huán)境

1、海洋鉆采與環(huán)境工程,海洋環(huán)境工程海上鉆井海上采油,海洋石油工程環(huán)境,主講：楊 志（Tel:3353）采油研究室2000年2月,參考書籍：海洋石油工程環(huán)境 天津大學(xué)水文水力學(xué)教研室編 石油工業(yè)出版社海洋工程環(huán)境條件及其載荷 孫意卿編著 上海交通大學(xué)出版社海洋學(xué) 楊殿榮主編

2、 高等教育出版社,第一章 海洋環(huán)境概論,,,,,,第一節(jié) 海洋環(huán)境概論一 海洋所在的大環(huán)境,,,,,圖1-1 太陽系示意圖,海洋存在于地球表面上，而地球又存在于太陽系中，海洋便是這種獨(dú)特環(huán)境的產(chǎn)物，它不斷承受來自環(huán)境的作用，同時(shí)也反作用于環(huán)境。海洋的各自然因素及特性便是在它與環(huán)境之間的物質(zhì)和能量交換過程中形成。 作用形式：物質(zhì)交換；能量交換。,,,大氣圈,水圈,巖石圈,圖1-2 地球?qū)尤Y(jié)構(gòu),

3、,,,大陸架,大陸坡,大陸隆,,,,自由海面,圖1-3 海洋邊界示意圖,,二 海洋的基本特征1.海洋的邊界 海面：海洋與大氣環(huán)境溝通的窗口，是海洋與大氣系統(tǒng)進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的界面。 海底：海洋與巖石圈之間溝通的窗口，是海洋與海底進(jìn)行物質(zhì)和能量交換的場(chǎng)所。 根據(jù)海底地形的基本特征，從海岸向大洋中心，依次可將海底地形分為大陸邊緣、大洋盆地和洋中脊三個(gè)單元。,1)大陸邊緣

4、 大陸邊緣是大陸表面與大洋底面之間的過渡帶。一般由大陸架；大陸坡；大陸隆，見圖1-3、圖1-4所示。 大陸架：大陸架是大陸周圍淺而平坦的海底，國際上曾規(guī)定從低潮線到－200米（一般為坡出現(xiàn)的位置）之間的地方稱為大陸架，即大陸架是大陸周圍從低潮線始直到向深海傾斜急劇增大的地方之間的海域。 大陸坡：大陸坡是大陸架外緣陡傾部分，水深介于1400米～3200米，平均寬度50KM。 大陸基：大陸基是

5、濁流和滑塌作用在大陸坡麓形成的沉積（深海扇），水下沖積錐也屬大陸基范疇。,,,,,,,,,圖1-4 大陸邊緣的剖面的三種類型,大陸架,大陸坡,大洋盆,,大洋盆,大陸坡,大陸架,島弧,大洋盆,2）大洋盆 海洋的主要部分，廣闊而平坦 大洋盆地：大洋盆地是海洋主體，約占海洋總面積的45％。其中主要部分是水深在400～5000米的開闊水域，稱為深海盆地。 深海盆地中最平坦的部分稱為深海平原。

6、 深海平原中可見到范圍不大的、地形比較突出的孤立高地，稱為海山。 其中有一類極為突出的海山，呈錐狀，比周圍海底高1000以上，隱沒于水下或露出海面，稱為海峰。 大洋盆地中還有一些比較開闊有隆起區(qū)，高差不大，沒有火山活動(dòng)，是構(gòu)造比較寧靜的地區(qū)，稱為海底高地或海底高原。 有些無地震活動(dòng)的長條隆起區(qū)，稱為海嶺。,3)大洋中脊 海底山脈，約占海洋面積的32.7%。

7、 沿岸帶：大陸與大洋聯(lián)系的橋梁，大陸物質(zhì)經(jīng)過沿岸帶的作用才進(jìn)入海洋，也是海洋能量的耗散帶。 在海底地形中和石油關(guān)系密切的主要是大邊緣中的大陸架。2.海洋的形狀特征1）大 即廣闊，尤其是南北尺度。2） 既深又淺 絕對(duì)深度大，相對(duì)深度小，為10-3量級(jí)。3）連成一片 各大洋連成一體。形狀特征的效果是：大，可形成潮汐；既深又淺，可將運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化為二維。,3.海水的物理化學(xué)特性1）物理特性

8、 物性狀態(tài)量：密度，鹽度，溫度、比熱、壓縮性等。 鹽度：1000克海水中，碳酸鹽全部轉(zhuǎn)化為氧化物后所得固體物質(zhì)的克數(shù)，一般在3.2~3.7%之間，平均3.5%.氯度：沉淀0.328533kg海水中的全部鹵素所需的原子量純銀的克數(shù)。2）化學(xué)特性 海水是多種物質(zhì)組成的復(fù)雜體系。分溶解物和不溶解物兩類。 溶解物質(zhì)：無機(jī)鹽類、氣體等。,,溶解物的無機(jī)鹽類主要離子有：等八十多種，與海洋腐蝕有關(guān)的離子主

9、要是氫、氧離子和鐵離子等， 溶解物的氣體有：氧氣，二氧化碳?xì)怏w，放出 等氣體。 不溶解物質(zhì)：固態(tài)顆粒形式存在。 海水呈弱堿性，Ph值>7,,第二節(jié) 我國海域概況一 分區(qū)及水域概況 我國是一個(gè)瀕臨海洋的國家，毗鄰我國大陸邊緣的有渤海、黃海、東海和南海四大海區(qū)，總面積約485×104 km²，相當(dāng)于我

10、國大陸面積的一半左右。我國海域幅員遼闊、自然條件多樣，海洋油氣資源極為豐富，油氣顯示十分普遍，在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國防上具有重要的地位。 我國海域西接歐亞大陸，東臨太平洋。北以我國大陸為界，南到大翼他群島，西起我國大陸，中印半島和馬來半島，東至朝鮮半島，日本九州島以及琉球群島、中國臺(tái)灣省和菲律賓。我國海域的整個(gè)位置是：北起北緯41º，南止于南緯3º，西自東徑99º10´，東到東徑131&

11、#186;。東西橫越32個(gè)經(jīng)度，南北縱跨44個(gè)緯度，跨經(jīng)溫帶、亞熱帶和熱帶。海岸線長，河口、島嶼眾多。,1、渤海 渤海南北長約560km，東西寬約300km，海區(qū)面積約為7.8 ×104 km²，比我國臺(tái)灣省面積的兩倍還大些，是四個(gè)海區(qū)中面積最小的一個(gè)。 渤海海區(qū)通常由四部分組成，即：周圍的三個(gè)主要海灣——北面的遼東灣、西面的渤海灣、南面的菜州灣和渤海中央盆地。 渤海屬

12、內(nèi)陸海，常年風(fēng)壓不是很大，但由于地理位置偏北，冬季季風(fēng)出現(xiàn)最早，冬季受寒潮侵襲，故每年均有不同程度的結(jié)冰現(xiàn)象。,2、黃海 黃海位于中國大陸和朝鮮半島之間，北接我國遼寧省和朝鮮的南、北兩道；東鄰朝鮮半島西岸；北與渤海溝通，西瀕我國山東半島和江蘇北部；南與東海相連，東南面至濟(jì)州海峽西側(cè)，并經(jīng)朝鮮海峽與日本海相通，為一半封閉性淺海。 整個(gè)黃海南北長870km，東西寬約570km，面積約為41.2 ×

13、104 km² ，約為渤海面積的5倍。山東半島深入黃海之中，其頂端成山頭與朝鮮半島的長山串之間最窄（寬約192km），自然地將黃海分為南、北兩部分：北面的叫“北黃海”，面積為8.2 ×104 km² ；南面的稱“南黃?！保娣e為33 ×104 km² 。 黃海北部常常受冬季季風(fēng)的影響，在冬季受寒潮侵襲后，每年也有不同程度的結(jié)冰現(xiàn)象，黃海水面自北向南漸趨開闊，故風(fēng)速自北向南

14、逐漸增大，南 黃海受臺(tái)風(fēng)影響也較北黃海顯著。,3、東海 西瀕上海、浙江、福建；北與黃海相連；東北面與朝鮮半島經(jīng)日本五島至長崎半島南端連線為界，與日本海相通；東與日本的九州島、琉球群島、臺(tái)灣為界；南通過臺(tái)灣海峽與南海相通，為一較開闊的邊緣海。 東海的南北長約1300km,東西寬約740km，總面積77 ×104 km² 。 東海與浩瀚的太平洋為鄰，直接受太平洋風(fēng)場(chǎng)的影響，

15、臺(tái)風(fēng)活動(dòng)頻繁。,4、南海 北接我國臺(tái)灣、廣東和廣西等省、區(qū)，即將臺(tái)灣海峽的南界作為南海的北界；東以我國臺(tái)灣省南端經(jīng)巴士海峽、隔以菲律賓的呂宋島、民都洛島及巴拉望等島與太平洋為鄰；西依中南半島和馬來西亞；南抵印度尼南亞的蘇門答臘島與加里曼丹島。整個(gè)南海的四周幾乎被大陸和島嶼所包圍，為一個(gè)較封閉的與大洋隔開的深海盆。因此，有人把南中國海、地中海和加勒比海稱為世界三大內(nèi)海。  南海南北長約3330km，東西相距約1

16、670km，面積約為360 ×104 km²,幾乎為渤、黃、東海總面積的3倍左右。 南海是我國海域受臺(tái)風(fēng)影響最為嚴(yán)重的海區(qū)。海風(fēng)也是最大的區(qū)域，南海地處熱帶常年氣溫較高，四季變化不顯著。,海區(qū) 分區(qū)界線 水域概況渤海 渤海海峽 平均20米，最大限度78米 黃海

17、 長江口至濟(jì)州島連線 40米 80米 東海 澎湖列島至臺(tái)灣富貴角 349米 2719米 南海 1140米 5420米,,,,二 海底地形 中國海的海底地形，尤其是渤、黃、東海的海

18、底地形，與中國大陸的地形有些相似，即西高東低，西部水淺，東部水深。總的趨勢(shì)是自西北向東南傾斜。至于南海，是一個(gè)較為封閉的而且深度較大的海盆，它的地形比較復(fù)雜，總的特點(diǎn)是：鍋形盆地，四周淺、中央深，海盆中央地區(qū)的平均深度在3000M左右。海盆中有幾處隆起，系繁茂的珊瑚蟲而形成東沙、西沙、中沙和南沙群島等珊瑚島。 就海底地貌單元而言，中國海不僅有廣闊的大陸架，而且還有大陸坡和深海盆。 1、渤海的海底地貌

19、 渤海為東北—西南向的半封閉的淺海，海底地勢(shì)是從三個(gè)海灣向渤海中央及渤海海峽傾斜，坡度平緩，平均坡度為0°0´23"。海底地貌全是為大陸架所占據(jù)。,2、黃海的海底地貌 黃海為一近南北向的淺海盆，海底地勢(shì)由北、東、西三面向黃海中央及東面方向傾斜，但傾斜的坡度不大，平均坡度為0°1´21"。 。整個(gè)黃海全為大陸架地貌類型所占。 3、東海的海底地貌

20、 東海的海底地形 與我國東南沿海的陸地地勢(shì)大致相似。西北高、東南低，成為自西北向東南傾斜的形勢(shì)。但在東海的東南邊緣處，坡度突然變陡，急劇傾入深海。東海的海底地貌，大致以我國臺(tái)灣島東北角與日本九州西北面的五島列島聯(lián)成一線為界，有兩個(gè)明顯不同的區(qū)域：西部是水深在150～160m以內(nèi)的大陸架區(qū)；東部是沿琉球島內(nèi)側(cè)的大陸坡區(qū)。,4、南海的海底地貌 南海的水深要比渤、黃、東海的水深大得多，除北部和西部靠近大陸、半島附近的水深較

21、淺外，中部和東部的大部分地區(qū)水深在2000m以上。 南海海域遼闊，海底地貌的類型豐富多樣：北部、西南和南部沿岸為大陸架區(qū)；中部為大陸坡及深海盆；東部多為島嶼坡，并有深海溝和深海槽?？傏厔?shì)是：由西北向東南傾斜 南海海底地形較復(fù)雜：四周淺，中央深，海盆中有隆起。 渤海與黃海屬于大陸架區(qū)，東海三分之二為陸架區(qū)，其余為陸坡區(qū)。,三 海底沉積 大陸許多徑流匯入海洋，帶入大量淡水，泥

22、沙，營養(yǎng)鹽，懸浮物，可形成巨厚沉積。四 海洋氣侯跨越溫帶，亞熱帶，熱帶三大氣候帶，呈現(xiàn)出多樣性。渤海：位置偏北，冬春季結(jié)冰，冰期3~ 4個(gè)月。黃海：北部有冰情，風(fēng)速自北向南逐漸增大，南黃海受臺(tái) 風(fēng)影響較北黃海大。東海：較少結(jié)冰，但為臺(tái)風(fēng)經(jīng)過區(qū)。南海：臺(tái)風(fēng)頻繁，尤其是7，8，9三個(gè)月臺(tái)風(fēng)影響很大。,四、各海區(qū)含油氣情況渤海：自66年開始鉆探以來，已發(fā)現(xiàn)十多個(gè)海上油氣田。渤海海區(qū)斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，主要為斷塊型油

23、氣藏。黃海：北黃海三面環(huán)陸，面積 約8萬k㎡，沉積蓋層不發(fā)育，未列為尋找油氣的重點(diǎn)區(qū)域。南黃海面積30萬k㎡，具有良好的含油氣遠(yuǎn)景，一般含油氣面積較小，屬于產(chǎn)量較低的小型油氣田。東海：東海約75%的區(qū)域?yàn)榇箨懠軈^(qū)，沉積巨厚，生、儲(chǔ)、蓋組合發(fā)育良好，油氣資源豐富，前景廣闊。南海：南海海域自北向南主要的沉積盆地有北部灣、鶯歌海、珠江口外、曾母暗沙盆地等。 北部灣盆地：已在潿10-3等構(gòu)造開采出工業(yè)性油氣流；珠江口外盆地已獲工業(yè)油

24、流；鶯歌海盆地天然氣蘊(yùn)藏量極大；曾母暗沙盆地沉積巨厚，含油氣遠(yuǎn)景很好。,五、世界海上石油勘探開發(fā)的發(fā)展情況： 總觀海洋石油工業(yè)的發(fā)展，可劃分為如下幾個(gè)階段 (1)1950年以前：由于受技術(shù)發(fā)展的限制再加上特殊環(huán)境條件的影響，海洋石油開發(fā)基本沿用陸地勘探開發(fā)設(shè)備 (2)1960年：世界上有25個(gè)國家進(jìn)行

25、海上勘探活動(dòng)，12個(gè)國家進(jìn)行淺海采油，年產(chǎn)油1.94億噸，占當(dāng)年海陸石油總產(chǎn)量的11％ (3)1970年：75個(gè)以上國家從事海洋石油地質(zhì)及物理勘探，45個(gè)國家進(jìn)行淺海鉆探，30多個(gè)國家進(jìn)行淺海開發(fā)，年產(chǎn)油3.9165億噸，占世界總產(chǎn)量的17.04％,(4) 1972年：海上產(chǎn)油量達(dá)4.728億噸，較1971年增長8.99％。 (5)1975年：世界海上探明可儲(chǔ)量為228億噸，較1950年的67億噸增長3.

26、4倍。 (6)1985年：海上石油產(chǎn)量上升至全世界總產(chǎn)量的35％左右，而且開始在深海開采石油。,六 我國海洋石油發(fā)展概況1、普查階段 （1950~1966）2、自營勘探開發(fā)階段（1966~1980） 到1978年共形成八大勘探領(lǐng)域：①渤海 ②北黃海 ③南黃海 ④東海 ⑤臺(tái)灣海峽 ⑥珠江口 ⑦北部灣 ⑧鶯歌海-- 西沙海域3、中外合資勘探開發(fā)階段（1980~今）

27、 總產(chǎn)量1600萬噸，占全國產(chǎn)量10%強(qiáng)。分布于各海域。 主要油氣田有：埕北、渤中、陸豐、西江、流花、潿州、崖13-1,第三節(jié) 海洋石油工程環(huán)境研究的內(nèi)容和意義一研究的內(nèi)容 1. 風(fēng)，浪，流，海冰，海面高程變化，海洋腐蝕環(huán)境形成、運(yùn)動(dòng)、變化規(guī)律。 2. 風(fēng)，浪，流，海冰，海面高程變化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的確定。 3. 因素與結(jié)構(gòu)作用機(jī)理，載荷計(jì)算。二 意義 1. 海洋石油工程環(huán)境因素是

28、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，壽命設(shè)計(jì)的控制參數(shù)； 2. 影響作業(yè)安全和質(zhì)量； 3. 影響作業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。,,圖1-5 海洋石油工程環(huán)境示意圖,,,,,,,,,,,,,,,,海面高程變化,,,,,,,,,,波浪與海流,風(fēng),,,海冰,,,隔水導(dǎo)管,,,海底,,,,,,,,,,,,損壞修復(fù)費(fèi),初期建造費(fèi),總投資,,,,10,20,30,設(shè)計(jì)波高（M）,總投資,初期建設(shè)費(fèi),圖1-6 設(shè)計(jì)波高與投資優(yōu)化分析示意圖,,,,,,,,,第二章 風(fēng)與風(fēng)

29、載荷,第一節(jié) 風(fēng)與風(fēng)的描述一 大氣環(huán)境及其描述 風(fēng)是大氣環(huán)境受到太陽輻射，地球自轉(zhuǎn)，地表物理化學(xué)特性影響而產(chǎn)生的一種維持大氣系統(tǒng)平衡的自然現(xiàn)象。 1、表征大氣狀態(tài)的物理量 氣壓，溫度，密度，濕度，風(fēng)速，風(fēng)向。 氣壓----大氣作用于地球表面單位面積上的力，叫做大氣壓力，簡(jiǎn)稱氣壓。它是時(shí)間和空間的函數(shù)。 等壓線----瞬時(shí)氣壓觀測(cè)值相等的各個(gè)點(diǎn)聯(lián)成的線。相鄰兩等壓

30、線的差為一定值，一般為5 mb或2.5 mb。 (1mb=3/4 mmHg),2、天氣形勢(shì)圖1）地面形勢(shì)圖2）高空形勢(shì)圖 等壓面形勢(shì)圖；等高面形勢(shì)圖。 3、海平面氣壓場(chǎng) 用海平面等壓線圖表示。 海平面氣壓場(chǎng)的 9 種主要形式：低壓、高壓、低壓槽、高壓脊、低壓帶、高壓帶、副低壓、副高壓、鞍形區(qū),二 風(fēng)的形成及其描述1、風(fēng)的形成1）成因 由于氣壓在水平方向上分布的

31、不均勻性而產(chǎn)生的空氣從高壓區(qū)向低壓區(qū)的運(yùn)動(dòng)。2）運(yùn)動(dòng)方程 氣流運(yùn)動(dòng)滿足動(dòng)量方程。3）風(fēng)的類型 ?地轉(zhuǎn)風(fēng) 地轉(zhuǎn)風(fēng)指在自由大氣層中等壓線平直的風(fēng)場(chǎng)內(nèi)形成的風(fēng) ?梯度風(fēng) 梯度風(fēng)指在氣旋效應(yīng)顯著，等壓線彎曲的風(fēng)場(chǎng)內(nèi)，不考慮摩阻力作用形成的風(fēng)。 ?海面風(fēng) 海面風(fēng)速考慮了摩阻力和海面垂直對(duì)流影響的風(fēng)速。,,質(zhì)點(diǎn)軌跡,柯氏力,壓差梯度力,,,,風(fēng)速矢量,,,,,,,,,,,,,圖2-1地轉(zhuǎn)風(fēng)形成

32、過程,,,,,,,L,,H,,,,,圖2-3低壓中心氣旋,圖2-4高壓中心氣旋,P1,P2,,,,,,,,,,P1,P2,fc,v,f,圖2-2海面風(fēng)形成過程,4）臺(tái)風(fēng) 臺(tái)風(fēng)是熱帶海洋上空形成的急速旋轉(zhuǎn)的逆時(shí)針低壓氣旋 ?強(qiáng)度：（以靠近臺(tái)風(fēng)中心地面處的最大風(fēng)速和臺(tái)風(fēng)中心處海面的最低氣壓值而確定） 熱帶低氣壓--氣旋中心風(fēng)力在7級(jí)以下（最大風(fēng)速10.8~ 17.1m/s）。 熱帶風(fēng)暴 -

33、--氣旋中心風(fēng)力在8-11級(jí)（最大風(fēng)速17.2~ 32.6m/s）。 強(qiáng)臺(tái)風(fēng)暴--氣旋中心風(fēng)力在12級(jí)以上（最大風(fēng)速大于32.6m/s）。 ?結(jié)構(gòu)：臺(tái)風(fēng)為近似圓形的逆時(shí)針氣旋，風(fēng)速沿徑向變化可分為外，中，內(nèi)三圈。,外圈：自臺(tái)風(fēng)邊緣至臺(tái)風(fēng)最大風(fēng)速區(qū)的外緣，半徑為200~300km，圈內(nèi)風(fēng)速里大外小。 中圈：從風(fēng)眼壁至最大風(fēng)速區(qū)外緣，R約為100km，又稱為氣流急劇旋轉(zhuǎn)區(qū)。 內(nèi)圈：臺(tái)

34、風(fēng)風(fēng)眼壁圈，半徑為5~30km,該區(qū)域內(nèi)風(fēng)速自外向內(nèi)迅速遞減，直至為0，內(nèi)圈又稱為風(fēng)眼。 ?移動(dòng)特性：氣旋中心移動(dòng)速度為臺(tái)風(fēng)移動(dòng)速度。 ?移動(dòng)趨勢(shì)：向西北方向移動(dòng)。 ? 生命期：3-8天。,,,P,V,(1),S,P0,,,,,,,(2),(3),,,,Vmax,,R,風(fēng)速曲線,風(fēng)壓曲線,圖2-5 臺(tái)風(fēng)風(fēng)速、風(fēng)壓結(jié)構(gòu)示意圖（風(fēng)圈結(jié)構(gòu)示意圖）,,,,①臺(tái)風(fēng)區(qū)內(nèi)的氣壓分布式中：

35、 ——臺(tái)風(fēng)區(qū)內(nèi)某點(diǎn)的氣壓（mb） (1mb=3/4mmHg) ——臺(tái)風(fēng)外圍氣壓，可用最外圈閉合等壓線的氣壓值代替(mb) ——臺(tái)風(fēng)外圍氣壓與中心氣壓Pc之差(mb) ——臺(tái)風(fēng)中心附近最大風(fēng)速點(diǎn)與臺(tái)風(fēng)中心的距離km,②臺(tái)風(fēng)區(qū)內(nèi)距中心 r 的某點(diǎn)的風(fēng)速式中： ——地球自轉(zhuǎn)角速度，取 r——該點(diǎn)距臺(tái)風(fēng)中心的距離，km；

36、 ——緯度； ——空氣密度值，取 ——沿 r 方向的氣壓剃度。,,,,,1005,1002.5,1000,970,1002.6,? P,,,,▲,,應(yīng)用實(shí)例： P0=1005mb;Pc=970mb，則 對(duì)圖中氣壓P=1002.6的A站，可量取與臺(tái)風(fēng)中心的距離 r =214km，則：,5）風(fēng)的描述 ?風(fēng)向：指風(fēng)的

37、來向，用十六個(gè)方位表達(dá)：N、NNE、NE、ENE、E、ESE、SE、SSE、S、SSW、SW、WSW、W、WNW、NW、NNE 風(fēng)向在天氣形勢(shì)圖上用風(fēng)向矢桿及尾部的風(fēng)速標(biāo)記來表達(dá)，風(fēng)向矢桿指向風(fēng)的來向。 風(fēng)向矢桿上的風(fēng)速標(biāo)記有：小旗，20m/s,，長劃，4m/s，短劃，2m/s。 ?風(fēng)速：空氣在單位時(shí)間內(nèi)移動(dòng)距離。 ?風(fēng)級(jí)：按風(fēng)速大小劃分十八個(gè)風(fēng)級(jí)，稱為Beanfort風(fēng)級(jí)。,,,,,

38、,,三 風(fēng)速計(jì)算1、風(fēng)速垂直分布計(jì)算 風(fēng)速垂直分布的影響因素有：1）大氣層特性，如溫度，濕度，水平氣壓梯度等； 2）海面特性，粗糙度，反射率，溫度，濕度。 ?對(duì)數(shù)公式：使用于近地面100m以內(nèi)風(fēng)速分布計(jì)算。,式中：K0為高度換算系數(shù)。 Z0為風(fēng)速為零處高度，取決于粗糙度，0.001~ 0.15m.,?指數(shù)公式：適用于己于100m以上的風(fēng)速分布計(jì)算： m為指數(shù)，約為1/15-1

39、/4，常取m=1/7。2、地轉(zhuǎn)風(fēng)速的計(jì)算 海面風(fēng)速：,3 風(fēng)速時(shí)段修正計(jì)算 一般風(fēng)速都指平均風(fēng)速，各時(shí)段平均風(fēng)速可作互換 式中：t為時(shí)段長度。秒。也可按如下風(fēng)速系數(shù)進(jìn)行換算： V10min 1.0 V5min 1.05極值風(fēng)速 Vm

40、 1.16極大陣風(fēng) V3s 1.37 3s gust wind velocitv,第二節(jié) 海洋工程結(jié)構(gòu)與裝置的風(fēng)載荷計(jì)算一風(fēng)與結(jié)構(gòu)的相互作用1、繞流現(xiàn)象2、風(fēng)載荷阻力：結(jié)構(gòu)前后部動(dòng)壓差之和升力：旋渦周期性脫離的不對(duì)稱性導(dǎo)致周期性激振力,,,,,,,,,,二 風(fēng)載荷計(jì)算 結(jié)構(gòu)風(fēng)載荷可視為結(jié)構(gòu)表面風(fēng)動(dòng)壓力之和,總作用力： 拖曳力： 升 力：

41、 上式為風(fēng)載荷計(jì)算的通式 式中： 為結(jié)構(gòu)在垂直于風(fēng)向方向上投影面積 為阻力系數(shù) 為升力系數(shù)。,三 實(shí)用風(fēng)載荷計(jì)算1、API風(fēng)力公式[American Petroleum Institute],式中，F(xiàn)：風(fēng)力， Ib or N Cs, 形狀系數(shù)； A，投影面積， S..m or S

42、.ft ； v, 持續(xù)風(fēng)速，m/h or km/h。 API推薦如下形狀系數(shù)： 梁 Cs=1.5 結(jié)構(gòu)平面 Cs=1.5 圓柱 Cs=0.5 同時(shí)API推薦風(fēng)速垂直分布計(jì)算采用指數(shù)公式， 陣風(fēng) ： m=1/13，持續(xù)風(fēng)暴 ： m

43、=1/8。,English UnitsMetric Units,2、ABS風(fēng)力公式[American Bureau of Shipping] 式中， F：風(fēng)力， kg or Ib Cs,形狀系數(shù)； Ch, 高度

44、系數(shù); A，投影面積， S..m or S.ft ; v，平均風(fēng)速 m/s or knot（節(jié)）海面１０m高處。,English UnitsMetric Units,ＡBS推薦的如下高度系數(shù)：Height (feet) Ch 0-50 1.00

45、 50-100 1.10 100-150 1.20 150-200 1.30 200-250 1.37 250-3

46、00 1.43 300-350 1.48 350-400 1.52 400-450 1.56 450-500

47、 1.60 500-550 1.63,,,ＡBS推薦的形狀系數(shù)形狀 ABS,LR ZC NV BV園筒形 0.5 0.5

48、 0.6水面船形 1.0 1.0甲板室 1.0 1.0 1.5 1.0甲板以下區(qū) 域的光滑構(gòu)件 1.0

49、 1.0 1.5 1.0甲板以下區(qū)域的光滑構(gòu)件 1.3 1.3 1.5 1.0孤立結(jié)構(gòu)物（起重機(jī)、梁等） 1.5 1.5 2.0井架（每一面） 1.25

50、 1.25ABS——美國船舶檢驗(yàn)局 ZC——中國船舶檢驗(yàn)局 LR——英國勞氏船級(jí)社 NV——挪威船級(jí)社 BV——法國船舶檢驗(yàn)局,,,,,,,,,,3、Zc風(fēng)力公式[中國船級(jí)社]有關(guān)參數(shù)可查閱規(guī)范。4、半潛式平臺(tái)風(fēng)載荷計(jì)算 裝置總風(fēng)載荷計(jì)算原則：將結(jié)構(gòu)分成多個(gè)風(fēng)力單元，分別計(jì)算各個(gè)風(fēng)力單元的風(fēng)力和風(fēng)力矩，迭加后得到總的風(fēng)力和風(fēng)力矩。 在半潛式平臺(tái)發(fā)生傾斜時(shí)

51、，由于風(fēng)力單元的投影面積，形心距海面高度都發(fā)生了變化，故其風(fēng)載荷將發(fā)生變化。,面高度都發(fā)生了變化，故其風(fēng)載荷將發(fā)生變化。 在平臺(tái)穩(wěn)定性校荷中，還需計(jì)算在平臺(tái)傾斜時(shí)風(fēng)載荷曲線，如下圖所示：,,,風(fēng)傾力矩Ｍ,平臺(tái)傾角?,風(fēng)傾力曲線,,,平臺(tái)回復(fù)力矩曲線,第三章 波浪與波浪載荷,第一節(jié) 概述一 有關(guān)坐標(biāo)系和特征參數(shù)1 坐標(biāo)系的建立2 波浪要素　波峰；波谷，波高，波長，周期，圓頻率　無量綱參數(shù)：波陡（Ｈ

52、／Ｌ），相對(duì)波高（Ｈ／d），相對(duì)水深（d/Ｌ）——淺水度,,,,,,d,Z,X,SWL,,,L,O,,,H,,3 波浪要素的統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律 ?平均波高 ?部分大波平均波高 ?波列累積率F%的波高 ?波高與周期聯(lián)合分布4 我國各海域大浪分布規(guī)律,二、海洋中波浪的類型 1 按作用力性質(zhì) 表面張力波（毛細(xì)波） 主要恢復(fù)力：表面張力

53、重力波 重力 慣性波 科式力 行星波 科式力隨緯度的變化 2 按周期長短

54、 表面張力波（毛細(xì)波）、表面波、長波、潮波 3 按淺水度（d/L） d/L≥1/2——深水波；1/2 ~ 1/10——淺水波 1/10 ~ 1/25——應(yīng)考慮波頂曲率的長波；1/25 ~長波,重力波：　　風(fēng)浪和涌浪及近岸波（海浪）　　產(chǎn)生原因：風(fēng)　　海　　嘯　　　　　　　　　　　　　地　　震　　海面震蕩　　　　　　　　　　　　　氣壓變化　　潮　　波　　　　　　　　　　　　　重力、

55、科式力三 波浪理論1 規(guī)則波浪理論（對(duì)單一波浪的研究）　線性波浪理論（微幅波、Airy波、正弦波）　非線性波浪理論（有限振幅波）　　　 Ｓtokes波浪理論；孤立波浪理論；橢圓余弦波浪理論。２ 隨機(jī)波浪理論（對(duì)過程的研究）　　譜描述理論,第二節(jié) 線性波浪理論一基本方程和邊界條件 假設(shè)：流體是理想均勻的，不可壓縮的，無粘性的理想流體，其運(yùn)動(dòng)是無旋的。 從以上假設(shè)有：,,1 基本方程　１）

56、連續(xù)方程?。玻﹦?dòng)力學(xué)方程Ｅuler 方程：其Ｌagrange積分：Ｐat為大氣壓力。２ 邊界條件 １）動(dòng)力學(xué)邊界條件,２）運(yùn)動(dòng)邊界條件海底：海面：從上述方程中可看出，部分條件是非線性的。３ 邊界條件的線性化 １）動(dòng)力邊界的線性化 分成兩步進(jìn)行，首先將動(dòng)能部分忽略，然后將其展開，得到：,２）運(yùn)動(dòng)邊界條件線性化同理進(jìn)行線性化，得到：將兩式組合起來，得到：二 二維行進(jìn)波的速度勢(shì)

57、 由于以上的方程組無法直接解出，故只能假設(shè)波面后求解。 我們假設(shè)波剖面為規(guī)則的余弦曲線　式中k=2?/L,?＝ 2? ／Ｔ：由線性化的動(dòng)力邊界條件知：將速度勢(shì)表達(dá)式帶入連續(xù)方程可求出A(z)表達(dá)式,１當(dāng)水深無窮大時(shí)　得到如下關(guān)系式：２當(dāng)水深為有限時(shí)：,三　線性波浪水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)特性１ 水質(zhì)速度２ 加速度,３ 水質(zhì)點(diǎn)軌跡靜止時(shí)在（x0,z0) 處的水質(zhì)點(diǎn)在波浪運(yùn)動(dòng)中的運(yùn)動(dòng)方程為：

58、 式中：討論：1）上式為一個(gè)橢圓方程，水平長軸為A，短軸為B，當(dāng)z0=0時(shí)，B=H/2，當(dāng)z0=-d時(shí)，B=02）當(dāng)d為無窮大時(shí)，A，B=Hexp(kz0)/2，此時(shí)軌跡為一圓。3）當(dāng)Z0=-L時(shí),exp(-2?)=1/535,ci此時(shí)可認(rèn)為水質(zhì)點(diǎn)靜止， Z0=-L/2時(shí),exp(-?)=1/23，故工程上常將d>L/2時(shí)，認(rèn)為水深為無窮大，即所謂深水。,,,,,,,,,

59、,,,,,,海底,無窮水深條件水質(zhì)點(diǎn)軌跡,有限水深條件水質(zhì)點(diǎn)軌跡,在不同水深中水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)及流線,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)流線形狀,,,,,,,,,,,,,SWL,Wave Profile,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,?,,,u,,,,,w,t,t,t,2?,2?,2?,?,?,?,,,波面、水平速度、垂向速度過程曲線,,,,,,ax,,,,,t,,az,t,?,?,2?,2?,,,

60、,,微幅波運(yùn)動(dòng)表達(dá)式波浪參數(shù) 一般表達(dá)式 深水 淺水 1/201/2 d/L<1/20 波面速度波長 u w壓力速度勢(shì),第三節(jié) 波浪與海洋工程結(jié)構(gòu)的相互作用一小特征尺度結(jié)構(gòu)與波浪的相互作用 當(dāng)D/L《0.2時(shí)，結(jié)構(gòu)被稱為小特征尺度結(jié)構(gòu)。1 平面流與園柱的繞流現(xiàn)象

61、繞流：流體流過園柱但不顯著改變流場(chǎng)特征。 載荷：阻力，Drag force , 結(jié)構(gòu)前后部動(dòng)壓差之和 橫向力，Lateral force，旋渦周期性脫離的不對(duì)稱性導(dǎo)致周期性激振力。,2 振蕩流與園柱的作用 載荷：阻力，Drag force , 結(jié)構(gòu)前后部動(dòng)壓差之和； 慣性力，Inertial force，水質(zhì)點(diǎn)加速度存在。

62、 橫向力，Lateral force，旋渦周期性脫離的不對(duì)稱性導(dǎo)致周期性激振力。,,,,,,,,,,,,,,繞流現(xiàn)象,二 大特征尺度結(jié)構(gòu)與波浪作用 當(dāng)D/L》0.2時(shí)，結(jié)構(gòu)被稱作大尺度結(jié)構(gòu)。 1 繞射現(xiàn)象 入射波在結(jié)構(gòu)表面的散射效應(yīng)增強(qiáng)，散射波與入射波互相干擾，稱之為繞射現(xiàn)象，Diffraction 2 載荷 流動(dòng)分離已不重要，粘滯阻力相對(duì)于慣性力也已不重要，載荷

63、主要成分是慣性力。 不恒定流場(chǎng)內(nèi)由于結(jié)構(gòu)的存在使液體質(zhì)點(diǎn)受到擾動(dòng)而產(chǎn)生速度的變化，即產(chǎn)生一個(gè)加速度。,第四節(jié) 小特征尺度結(jié)構(gòu)的波浪載荷一Morrison波浪力公式對(duì)于D/L<0.2時(shí)的鉛直園柱結(jié)構(gòu)，其（x,z)坐標(biāo)處的單位長度結(jié)構(gòu)的波浪力：式中：CM--慣性力系數(shù) （Inertia Coefficient) Cd--阻力系數(shù)（Drag Coefficient)

64、 u(x,z,t)為水質(zhì)點(diǎn)速度。 ?為水的密度，D為園柱直徑。,討論1 慣性力部分： 慣性力被分成兩部分，一部分為假設(shè)園柱體不存在，占據(jù)該體積的流體加速運(yùn)動(dòng)所需推力；第二部分為跟隨園柱運(yùn)動(dòng)的部分流體加速運(yùn)動(dòng)所需推力。 Cm為附加質(zhì)量系數(shù)（Added mass coefficient) 2 阻力根據(jù)粘性流體力學(xué)得到：CD為粘滯阻力系數(shù)。園柱總載荷為：,二有關(guān)系數(shù)的確定1 CD， CM的確定

65、 CD 、CM與結(jié)構(gòu)形狀，表面粗糙度，流態(tài)有關(guān) 結(jié)構(gòu)形狀 基準(zhǔn)面積（單位長度） CD CM D 1.0 2.0

66、 D 2.0 2.19 1.41D 1.55 1.0 D

67、 2.01 0.75D*D 1.2 0.75D*D 0.5 1.50

68、 D*D 1.05 1.67以上系數(shù)均由大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果整理而得。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,三 、小直徑鉛直園柱波浪載荷計(jì)算1選擇線性波浪理論計(jì)算水質(zhì)點(diǎn)速度和加速度2 單位長度結(jié)構(gòu)波浪力,,d,O,,,,,X,?,,,dz,,Z,,f,O