海洋工程环境条件---波浪

本文摘要（由AI生成）：

文章主要介绍了海洋工程分析中常用的两种重力波：规则波和不规则波。规则波分为线性和非线性，线性波类似于正弦波，非线性更接近波浪传递的特征。不规则波是近似真实的海况，波浪本质上是随机过程，波高大小和周期符合统计规律。海浪谱是描述波浪分布特征的，常用的海浪谱有PM、Jonswap、ITTC、ISSC、Gaussian Swell等。风浪和涌浪是两种常见的海洋工程所需考虑的波浪类型，风浪周期小，涌浪周期长。各个海区的波浪分布也有所差别，如西北欧波高大、波陡大，南中国北部海波高大、波陡大，但程度比西北欧要弱，同时会出现涌浪。一般情况下对于导管架结构都用规则波分析，对于浮式结构进行性能分析、系泊分析时用不规则波。

波浪很复杂，我只能尽量通俗简单地介绍一下。

1.规则波与不规则波

规则波和不规则波是海洋工程分析中常用的两种重力波。规则波分线性、非线性两大类。线性波就像正弦波，非线性更接近波浪传递的特征，即波峰尖、波谷坦。表征规则波的基本就两个参数，波高H和周期T，还有一个限制条件波陡p。波陡这个东西很重要，它衡量的是波浪合理性。当波陡太大（譬如1/7）时，你得想想你输入的参数是不是有误的，因为大于这个波陡的波浪基本是不存在的，或者说是破碎的。从另一个角度来讲，波陡其实描绘的是波浪能量的传递特征，大于某个极限时，波浪不能保持原来的传递方式，稳定的能量传递就会破坏。

不规则波表征的是近似真实的海况，可以说规则波在真实的海洋上基本是不存在的。波浪本质上是个随机过程，波高大小和周期是符合统计规律的，一般情况下认为波浪式是窄带的瑞利分布。跟风一样，随机的波浪要用谱来描绘，而海浪谱其实是从能量的角度来描绘波浪分布的特征。

2.海浪谱的表征参数

一般常用的波浪谱有：PM、Jonswap、ITTC、ISSC、Gaussian Swell这几种。描述谱时通常用有义波高Hs、谱峰周期Tp、谱型参数Gamma。Hs表征的是波浪谱的能量等级，Tp表征的是波浪能量主要位置、Gamma表征的是波浪能量集中程度。

PM、ITTC、ISSC是不存在Gamma值的，一般认为Gamma等于1的Jonswap谱基本等效于这三种谱型，但其实是有差别的。在使用的时候需要稍加注意。

Gaussian Swell比较特殊，这个谱是描述涌浪使用，它没有Gamma，二有个a参数，这个参数最好看看规范在做决定。

3.风浪和涌浪

从成因上讲，波浪可以说大多是风产生的，当然地震产生的海啸属于比较特别的情况。一个海域风力较大时，该海域生成的都是碎片化的小波，这一般叫做“风生浪”（wind wave）。距离当前海域较远的地方产生的波浪由于各种外界条件的影响（譬如海底地形、地貌，海岸线分布走势等）传播到当前海域时呈现的是“长周期，低幅值”的特点，这一般叫做涌浪（swell wave）。这二者基本上涵盖了常见的海洋工程所需考虑的波浪类型，当然还有其他的，我在这不赘述。

风浪的周期小，涌浪的周期长。周期长就意味着波长长，这时对于大船长的结构物就比较严峻了。当波长短的时候，船体的中拱中垂不严重，因为船长会跨越多个波峰波谷；当波长长的时候，船有可能正好跨在一个波长的波浪上，这时中拱中垂量级会很大，比较危险。

4.各海区波浪特点

各个海区的波浪分布也有所差别:

在西北欧，由于西风带的影响，这地方波高大，波陡大，小的风生浪很多。

在几内亚湾、安哥拉、毛里塔尼亚涌浪比较明显。

在南中国北部海波高大，波陡也大，但程度比西北欧要弱，同时，这地方会出现涌浪。南中国海南部环境非常温和，偶尔来个台风基本上也就是8级左右。所以以后不要总说南海环境恶劣，要精确严谨的说“南海北部环境恶劣”，南部环境比较温和。

墨西哥湾波浪等级跟南中国海差不多。

巴西这地方环境很好，没啥说的。

5.分析考虑

一般情况下对于导管架结构都用规则波分析。

对于浮式结构进行性能分析、系泊分析时用不规则波。

接触过设计的都知道一般设计条件有OP（一年一遇）、EX（100一遇）或者还有Extreme OP(10年一遇）等等。现在进行分析的时候通常都面临一个问题：环境条件越来越严酷。由于种种原因，比如气象资料不足啦，环境分析方法不同啦什么的，造成很多情况下不同机构给出的极限设计条件是不一样的。国内某油田的百年一遇极限条件，国内某海洋所给出的结果比国外的小20%，只有把国内数据提高到500年一遇才和国外机构给的数据差不多。这样一来就面临一个问题：到底谁的对？

另外一点就是，现在的环境条件确实在变坏。同一地点同一种方法给出的2003年极限条件的有义波高和谱峰周期要比1993年增加5-10%。这就要求设计人员需要从”更保守“的角度来做设计，因为一般的浮式结构物服役时间都在10年以上。有可能在你做设计的时候满足要求，十年以后再一看就不满足要求了。

从另一个角度来讲优化是合理且有限度的，不合理的优化往往适得其反。

谢谢。