海洋環(huán)境與鉆采工程第二章

1、第二章 風與風載荷第一節(jié) 風與風的描述一 大氣環(huán)境及其描述 風是大氣環(huán)境受到太陽輻射，地球自轉(zhuǎn)，地表物理化學特性影響而產(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，風速，風向。 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。它是時間和空間的函數(shù)。 等壓線-瞬時氣壓觀測值相等的各個點聯(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、天氣形勢圖 等壓面形勢圖；等高面形勢圖。 3、海平面氣壓場 用海平面等壓線圖表示。 海平面氣壓場的 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 風的形成及其描述1、風的形成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)的運動。2 2）運動方程）運動方程 氣流運動滿足動量方程。 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。流動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。柯氏力是慣性力，它總是與運動氣流的方向垂直。它對空氣不作功而只是便氣流運動方向變向。 rV 23 3）風的類型）風的類型 地轉(zhuǎn)風 地轉(zhuǎn)風指在自由大氣層中等壓線平直的風場內(nèi)形成的風 梯度風 梯度風指在氣旋效應顯著，等壓線彎曲的風場內(nèi)，不考慮摩阻力作用形成的風。（空氣運動方程中增加離心力項） 海面風 海面風速考慮了摩阻力和海面垂直對流影響的風速。SPVg sin21)(sinsin)(sinsin222222高壓中心低壓中心

4、SPRRRVSPRRRVgrgr gsVTV)70. 001. 0( 質(zhì)點軌跡 柯氏力 壓差梯度力風速矢量圖2-1地轉(zhuǎn)風形成過程LH圖2-3低壓中心氣旋圖2-4高壓中心氣旋P1P2P1P2fcvf圖2-2海面風形成過程移動趨勢：向西北方向移動4）臺風 臺風是熱帶海洋上空形成的急速旋轉(zhuǎn)的逆時針低壓氣旋 強度強度：（以靠近臺風中心地面處的最大風速和臺風中心處海面的最低氣壓值而確定） 熱帶低氣壓-氣旋中心風力在7級以下（最大風速10.8 17.1m/s）。 熱帶風暴 -氣旋中心風力在8-11級（最大風速17.2 32.6m/s）。 強臺風暴-氣旋中心風力在12級以上（最大風速大于32.6m/s）。

5、結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：臺風為近似圓形的逆時針氣旋，風速沿徑向變化可分為外，中，內(nèi)三圈。 外圈：自臺風邊緣至臺風最大風速區(qū)的外緣，半徑為200300km，圈內(nèi)風速里大外小。 中圈：從風眼壁至最大風速區(qū)外緣，R約為100km，又稱為氣流急劇旋轉(zhuǎn)區(qū)。 內(nèi)圈：臺風風眼壁圈，半徑為530km,該區(qū)域內(nèi)風速自外向內(nèi)迅速遞減，直至為0，內(nèi)圈又稱為風眼。 移動特性：氣旋中心移動速度為臺風移動速度。 移動趨勢：向西北方向移動。 生命期：3-8天。P,V(1)SP0(2)(3)VmaxR風速曲線風壓曲線圖2-5 臺風風速、風壓結(jié)構(gòu)示意圖（風圈結(jié)構(gòu)示意圖）臺風區(qū)內(nèi)的氣壓分布式中： 臺風區(qū)內(nèi)某點的氣壓（mb） (1mb=3/4m

6、mHg) 臺風外圍氣壓，可用最外圈閉合等壓線的氣壓值代替(mb) 臺風外圍氣壓與中心氣壓P0之差(mb) 臺風中心附近最大風速點與臺風中心的距離km 2001rrPPP P0P0rP1200PPPrr臺風區(qū)內(nèi)距中心 r 的某點的風速式中： 地球自轉(zhuǎn)角速度，取 r 該點距臺風中心的距離，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應用實例： Pc=1005mb;P0=970mb，則 對圖

7、中氣壓P=1002.6的A站，可量取與臺風中心的距離 r =214km，則：;350mbP smPUkmrRkmr/3 .31357 . 57 . 51 .2022 .1414 . 235214max020臺風區(qū)內(nèi)最大風速值：中心的距離：臺風區(qū)內(nèi)最大風速處距 5）風的描述 風向：指風的來向，用十六個方位表達：N、NNE、NE、ENE、E、ESE、SE、SSE、S、SSW、SW、WSW、W、WNW、NW、NNE 風向在天氣形勢圖上用風向矢桿及尾部的風速標記來表達，風向矢桿指向風的來向。 風向矢桿上的風速標記有：小旗，20m/s,，長劃，4m/s，短劃，2m/s。 風速：空氣在單位時間內(nèi)移動距離。

8、 風級：按風速大小劃分十八個風級，稱為Beanfort風級。三 風速計算1、風速垂直分布計算 風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。 對數(shù)公式：使用于距地面100m以內(nèi)風速分布計算。00101lnlnlnlnKzzzzVVnn式中：K0為高度換算系數(shù)。 Z0為風速為零處高度，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以上的風速分布計算： m為指數(shù)，約為1/15-1/4，常取m=1/7。2、地轉(zhuǎn)風速的計算 海面風速：gs

9、VTV70. 001. 0mzZVV)10(10從靜水面算起）（處的風速；為任一高度ZZVzSPVg sin213 風速時段修正計算 一般風速都指平均風速，各時段平均風速可作互換 式中：t為時段長度。秒。也可按如下風速系數(shù)進行換算： V10min 1.0 V5min 1.05極值風速 Vm 1.16極大陣風 V3s 1.37 3s gust wind velocitv64.0ln056.0min10tVVtmin10kVVtk第二節(jié) 海洋工程結(jié)構(gòu)與裝置的風載荷計算一風與結(jié)構(gòu)的相互作用1、繞流現(xiàn)象2、風載荷阻力（拖曳力）：結(jié)構(gòu)前后部動壓差之和升力：旋渦周期性脫離的不對稱性導致周期性激振力二 風載

10、荷計算 結(jié)構(gòu)風載荷可視為結(jié)構(gòu)表面風動壓力之和sdsnpkFzjFyiFxF. 總作用力： 拖曳力： 升 力： 上式為風載荷計算的通式 式中： Ap為結(jié)構(gòu)在垂直于風向方向上投影面積 Cd為阻力系數(shù) Cl為升力系數(shù)。pllpddACVFACVFVpcApF222212121 三 實用風載荷計算1、API風力公式American Petroleum Institute ACVFACVFss2200473.000256.0式中，F(xiàn)：風力， 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API推薦風速垂直分布計算采用指數(shù)公式， 陣風 ： m=1/13，持續(xù)風暴 ： m=1/8。English UnitsMetric Units 2、ABS風力公式American Bureau of Shipping 式中， F：風力， 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、梁等）1.5 1.5 2.0井架（每一面） 1.25 1.25ABS美國船舶檢驗局 ZC中國船舶檢驗局 LR英國勞氏船級社 NV挪威船級社 BV法國船舶檢驗局3、Zc風力公式中國船級社 有關(guān)參數(shù)可查閱規(guī)范。4、半潛式