海洋環(huán)境與鉆采工程 第二章

1、第二章 風(fēng)與風(fēng)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 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

2、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 1）成因）成因 由于氣壓在水平方向上分布的不均勻性而產(chǎn)生的空氣從高壓區(qū)向低壓區(qū)的運(yùn)動(dòng)。2 2）運(yùn)動(dòng)方程）運(yùn)動(dòng)方程 氣流運(yùn)動(dòng)滿足動(dòng)量方程。 空氣密度； 空氣粒子的速度矢量； 作用在空氣粒子上的外力矢量。FdtVd FV RarraFgPrVdtVddtVd 2關(guān)于柯氏加速度關(guān)于柯氏加速度 使空氣產(chǎn)生并維持大幅度水平流動(dòng)的主要作用力是氣壓梯度力。氣壓梯度力是由于地球表面大氣壓力分布不均勻而形成的。在氣象學(xué)中常常用等氣壓線來表示氣壓的分布狀態(tài)。在高的等氣壓線與低的等氣壓線之間形成氣壓梯度力，該梯度力垂直于等氣壓線。在氣壓梯度力的作用下，

3、使空氣自高壓區(qū)流向低壓區(qū)而形成風(fēng)。流動(dòng)著的空氣除受氣壓梯度力的作用外，還受因地球自轉(zhuǎn)而形成的地轉(zhuǎn)偏向力或稱柯氏加速度力的作用，該地轉(zhuǎn)偏向力使北半球的氣流向右偏轉(zhuǎn)，南半球則反之?？率狭κ菓T性力，它總是與運(yùn)動(dòng)氣流的方向垂直。它對(duì)空氣不作功而只是便氣流運(yùn)動(dòng)方向變向。 rV 23 3）風(fēng)的類型）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)。（空氣運(yùn)動(dòng)方程中增加離心力項(xiàng)） 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。SPVg sin21)(sinsin)(sinsin222222高壓中心低壓中心

4、SPRRRVSPRRRVgrgr gsVTV)70. 001. 0( 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)形成過程LH圖2-3低壓中心氣旋圖2-4高壓中心氣旋P1P2P1P2fcvf圖2-2海面風(fēng)形成過程移動(dòng)趨勢(shì)：向西北方向移動(dòng)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 -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）。

5、結(jié)構(gòu)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200300km，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)風(fēng)風(fēng)眼壁圈，半徑為530km,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)SP0(2)(3)VmaxR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）臺(tái)風(fēng)區(qū)內(nèi)的氣壓分布式中： 臺(tái)風(fēng)區(qū)內(nèi)某點(diǎn)的氣壓（mb） (1mb=3/4m

6、mHg) 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P0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 2001rrPPP P0P0rP1200PPPrr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； 緯度； 空氣密度值，取 沿 r 方向的氣壓剃度。drrdprrU2sinsin秒弧度/10292. 7533/1026. 1cmgdrdp030max07 . 5max322PUPUrRdrrdpU10051002.510009701002.6 P應(yīng)用實(shí)例： Pc=1005mb;P0=970mb，則 對(duì)圖

7、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：;350mbP smPUkmrRkmr/3 .31357 . 57 . 51 .2022 .1414 . 235214max020臺(tái)風(fēng)區(qū)內(nèi)最大風(fēng)速值：中心的距離：臺(tái)風(fēng)區(qū)內(nèi)最大風(fēng)速處距 5）風(fēng)的描述 風(fēng)向：指風(fēng)的來向，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。

8、 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)。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：使用于距地面100m以內(nèi)風(fēng)速分布計(jì)算。00101lnlnlnlnKzzzzVVnn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. （陸上平均值可取0.03米，海上可取0.003米，冰上可取0.001米） 指數(shù)公式：適用于高于100m以上的風(fēng)速分布計(jì)算： m為指數(shù)，約為1/15-1/4，常取m=1/7。2、地轉(zhuǎn)風(fēng)速的計(jì)算 海面風(fēng)速：gs

9、VTV70. 001. 0mzZVV)10(10從靜水面算起）（處的風(fēng)速；為任一高度ZZVzSPVg sin213 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 1.16極大陣風(fēng) V3s 1.37 3s gust wind velocitv64.0ln056.0min10tVVtmin10kVVtk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（拖曳力）：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

10、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sdsnpkFzjFyiFxF. 總作用力： 拖曳力： 升 力： 上式為風(fēng)載荷計(jì)算的通式 式中： Ap為結(jié)構(gòu)在垂直于風(fēng)向方向上投影面積 Cd為阻力系數(shù) Cl為升力系數(shù)。pllpddACVFACVFVpcApF222212121 三 實(shí)用風(fēng)載荷計(jì)算1、API風(fēng)力公式American Petroleum Institute ACVFACVFss2200473.000256.0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.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

11、 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=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m高處。ACCVFACCVFshsh2200338.000623.0English UnitsMetric UnitsBS推薦的如下高度系數(shù)：Height (feet

12、) Ch 0-50 1.00 50-100 1.10 100-150 1.20 150-200 1.30 200-250 1.37 250-300 1.43 300-350 1.48 350-400 1.52 400-450 1.56 450-500 1.60 500-550 1.63 BS推薦的形狀系數(shù)形狀形狀 ABS,LR ZC NV BV園筒形 0.5 0.5 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 1.0 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 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