海洋波浪理論精選(九篇)

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第1篇：海洋波浪理論范文

關(guān)鍵詞　海洋工程環(huán)境　課程　教學(xué)改革

中圖分類號：G424 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0　引言

海洋工程環(huán)境這門課重點介紹風(fēng)、浪、流、冰對海上建筑物的作用以及工程上計算環(huán)境作用荷載的方法，最后還介紹了泥沙顆粒的基本性質(zhì)及波浪潮流作用下海岸岸灘的變形淤漲規(guī)律，是船舶與海洋工程專業(yè)學(xué)生重要的專業(yè)基礎(chǔ)課，為后續(xù)船舶設(shè)計和平臺設(shè)計專業(yè)課提供基本知識儲備。

1　目前存在的問題

按照中國石油大學(xué)（華東）現(xiàn)行船舶與海洋工程專業(yè)本科人才培養(yǎng)方案，海洋工程環(huán)境課程教學(xué)安排在第六學(xué)期，理論教學(xué)　46　學(xué)時，實驗教學(xué)兩學(xué)時。其相關(guān)課程有流體力學(xué)、船舶工程、海洋鉆井工程、海洋平臺工程等。通過對教學(xué)環(huán)節(jié)各方面的分析總結(jié)，發(fā)現(xiàn)問題主要存在以下幾個方面：

（1）課時不足。海洋工程環(huán)境課程的內(nèi)容很多，囊括了所有海洋工程環(huán)境的作用力。有限的學(xué)時分配顯然很難做到將教材中的內(nèi)容講授完全，勢必有些內(nèi)容只能泛泛帶過。因為課時緊張，授課方式以教師講授為主，無法發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，也沒有足夠的時間與學(xué)生進(jìn)行思維互動，進(jìn)行啟發(fā)、提問和討論，教師毫無余地開展創(chuàng)新教育實驗。

（2）缺乏實踐。由于實驗室建設(shè)還未完備，僅開設(shè)了一門實驗課，即立波的波壓力測定實驗，實驗設(shè)備僅有一套，限制了學(xué)生實驗的積極性和主動性。而且實驗也是讓學(xué)生按照規(guī)定程序完成實驗，不能很好調(diào)動學(xué)生的主觀能動性，積極參與進(jìn)來，沒有達(dá)到實驗的真正目的。

（3）教師工程經(jīng)驗不足。海洋環(huán)境課程內(nèi)容多、涉及面廣，要求教師除了有較高的理論水平和教學(xué)經(jīng)驗之外，還必須具有一定的實踐經(jīng)驗。高校教師缺乏必要的實際工程經(jīng)驗，加上個人知識結(jié)構(gòu)的局限性，要在課堂上除傳授課本理論知識外，同時調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性，就成了一項困難的任務(wù)。

2　教學(xué)改革方法

2.1　調(diào)整教學(xué)內(nèi)容

（1）學(xué)習(xí)專業(yè)基礎(chǔ)課的目的是深化相關(guān)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)，為其提供知識儲備。首先根據(jù)本校學(xué)生的學(xué)科發(fā)展需要合理安排海洋工程環(huán)境這門專業(yè)基礎(chǔ)課的內(nèi)容，并在提升教師的教育理念，加強(qiáng)教材建設(shè)，優(yōu)化教法，重視實踐教學(xué)環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上建立海洋工程環(huán)境課程的教學(xué)團(tuán)隊。團(tuán)隊教師有計劃地組織課外答疑活動，引導(dǎo)專業(yè)資料的閱讀，提高學(xué)生對專業(yè)知識的理解和應(yīng)用能力。

（2）重點講述海浪及波浪作用力部分。這部分共包括三章的內(nèi)容：海浪、海浪觀測與海浪譜以及波浪作用力，除了基礎(chǔ)的波浪理論之外，這部分還包括現(xiàn)實的波浪觀測和記錄方法，隨機(jī)波的統(tǒng)計意義表達(dá)和海浪譜，最后波浪作用力的計算，將理論知識在實踐中應(yīng)用。首次講課還可以多準(zhǔn)備一些材料，介紹本課程的發(fā)展沿革，前輩專家學(xué)者的創(chuàng)見軼事等等，起到拋磚引玉的效果，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和熱情。

（3）重點講述潮位預(yù)報和海流以及冰的作用力部分。講授時要注意與相關(guān)課程的銜接，如潮汐部分可結(jié)合海洋學(xué)內(nèi)容講解；冰的作用力可結(jié)合海洋平臺穩(wěn)性計算講解。講授時尤其要注意增強(qiáng)授課內(nèi)容的系統(tǒng)性、條理性。

（4）內(nèi)容較簡單的風(fēng)和泥沙運動，可適當(dāng)減少授課時間。講授時要多列舉工程實例，激發(fā)學(xué)生興趣，避免枯燥；一些易懂的部分可以適當(dāng)方式引導(dǎo)學(xué)生自學(xué)，以教師提問的方式強(qiáng)調(diào)重點。教師要注重培養(yǎng)學(xué)生自主觀察、積極思考的能力。

（5）在教學(xué)中應(yīng)及時補充新標(biāo)準(zhǔn)、新規(guī)范、新觀念和新的政策法規(guī)，最好能結(jié)合最新的工程實例，介紹本學(xué)科的最新研究成果，幫助學(xué)生了解本學(xué)科新技術(shù)新理論的發(fā)展概況。

2.2　多種教學(xué)手段的應(yīng)用

（1）采用多媒體教學(xué)。圖片、視頻、Flash　動畫等，能形象表述風(fēng)、波浪、潮流、海冰、泥沙等海洋動態(tài)的物理運動過程，以及外界因素對其產(chǎn)生的影響。對于必要的公式理論推導(dǎo)，可配以板書方式講授，使教學(xué)內(nèi)容更加豐富生動，簡單明了，吸引學(xué)生的注意力。

（2）多介紹工程實例。海洋工程環(huán)境是一門實踐性很強(qiáng)的課程，工程案例是一項不可缺少的教學(xué)材料。尤其引入工程事故案例，通過這些工程事故使學(xué)生深感海洋環(huán)境中設(shè)計和校核工況這一關(guān)決不能放松，喚起學(xué)生的工程責(zé)任意識，不僅有助于學(xué)生更快理解理論知識，又能培養(yǎng)學(xué)生的專業(yè)興趣和對具體問題的分析能力。

（3）引入課堂分析討論。對于帶有啟發(fā)性或爭論性的論題，教師可不直接講授，而是留給學(xué)生自己思考提出結(jié)論的余地。在具體操作上有兩種方法實現(xiàn)，一是課前布置議題，然后上課時組織學(xué)生討論并發(fā)言；二是鼓勵學(xué)生在課堂上提出問題，對于有爭議的問題，由學(xué)生隨機(jī)分組進(jìn)行小組討論。

2.3　改革實踐教學(xué)環(huán)節(jié)

傳統(tǒng)的實驗教學(xué)主要是驗證性實驗，學(xué)生學(xué)習(xí)積極性不高，除實驗課程外還應(yīng)加入實習(xí)環(huán)節(jié)。組織學(xué)生到唐島灣，相對于實驗室的波浪水槽，通過實際海洋環(huán)境的直觀感受增加對波浪測定，潮余流測定等觀測方法和觀測結(jié)果在時空上變化的理解。到中海油海工基地參觀，可通過技術(shù)人員的現(xiàn)場講解加深對理論知識的掌握和應(yīng)用。

2.4　強(qiáng)化教師教學(xué)能力

海洋工程環(huán)境專業(yè)的教師必須具備合理的知識結(jié)構(gòu)，除了必備的海工專業(yè)基礎(chǔ)、流體理論基礎(chǔ)外，作為工程類課程的教師，實踐經(jīng)驗也非常重要。學(xué)校應(yīng)積極為教師創(chuàng)造實踐機(jī)會，安排教師深入相關(guān)企業(yè)和施工現(xiàn)場。同時為教師提供繼續(xù)深造提高的條件和機(jī)會，比如國內(nèi)外同類大學(xué)的短期進(jìn)修培訓(xùn)，還可以探索團(tuán)隊式教學(xué)模式，由老教師一對一指導(dǎo)年輕教師，或全體教師通過定期的教案交流、參與指導(dǎo)學(xué)生申報大學(xué)生創(chuàng)新實驗項目等，逐步提高年輕教師業(yè)務(wù)能力和綜合素質(zhì)。

3　結(jié)語

海洋工程環(huán)境是船舶與海洋工程專業(yè)一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，目前的教學(xué)環(huán)節(jié)和教學(xué)方法還不夠完善，教學(xué)效果未達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，本文提出的一些教改措施，還需要創(chuàng)造條件進(jìn)行實踐，從而驗證其可行性和有效性。

參考文獻(xiàn)

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第2篇：海洋波浪理論范文

為提高船舶港口裝卸效率，實現(xiàn)港口裝卸自動化， 利用數(shù)值波浪水池模擬船舶港口裝卸工程中的波浪補償問題.基于CFD理論建立船舶港口裝卸過程中波浪補償數(shù)值計算模型.通過Flow3D的邊界造波模塊，建立三種不同波形的數(shù)值波浪水池，并配合Sommerfeld輻射邊界條件以及多孔介質(zhì)模型進(jìn)行消波.結(jié)合CAD技術(shù)對船舶港口裝卸過程中的波浪補償進(jìn)行數(shù)值分析，最終將該船舶港口裝卸過程中的波浪補償量轉(zhuǎn)化為起重機(jī)的位移補償量.仿真結(jié)果表明，該方法滿足工程要求，可為港口自動化裝卸提供技術(shù)支持.

關(guān)鍵詞：

港口裝卸； 波浪補償； 數(shù)值波浪水池； 造波； 消波

0引言

碼頭起重機(jī)在為船舶裝卸貨物時，其吊鉤可能因受到風(fēng)、浪、流及其載荷變化的影響而不能準(zhǔn)確地抓取到貨物，從而影響其裝卸效率.[1]通過建立數(shù)值波浪水池對港口裝卸作業(yè)進(jìn)行數(shù)值模擬計算，可以獲取吊鉤抓取位置的補償量，為實現(xiàn)港口自動化裝卸提供技術(shù)支持.

數(shù)值波浪水池是一種計算機(jī)仿真模擬程序，能夠模擬出真實波浪水池的各種功能.[2]數(shù)值波浪水池的創(chuàng)建帶有一定的主觀性，各國學(xué)者為了使模擬結(jié)果更接近真實值，從基本的波浪理論出發(fā)，對數(shù)值波浪水池進(jìn)行了深入研究.WANG等[3]基于邊界造波法實現(xiàn)了二階斯托克斯波的生成，并模擬了完全非線性波；石博文等[4]基于黏性流理論建立三維數(shù)值波浪水池，實現(xiàn)了船模在不規(guī)則波中的運動分析；方昭昭等[5]通過建立數(shù)值波浪水池對波浪生成、傳播和航行中的船舶波浪繞射問題進(jìn)行了數(shù)值模擬；ORLANSKI[6]在數(shù)值波浪水池中利用輻射邊界條件研究反射波的影響，該方法在規(guī)則波水槽中取得了良好的效果；TROCH等[7]在開發(fā)的VOFbreak程序中運用主動吸收式技術(shù)對數(shù)值波浪水池進(jìn)行消波，取得了良好的效果，該方法適用于規(guī)則波和不規(guī)則波的消波處理；隨著CFD技術(shù)的發(fā)展，許多學(xué)者[810]基于開源CFD程序庫OpenFOAM開展了數(shù)值波浪水池的開發(fā)工作，并取得了一定的成果.上述數(shù)值波浪水池的仿真結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)的對比，表明CFD方法能夠有效地建立數(shù)值水池、造波和消波.本文在總結(jié)前人研究成果的基礎(chǔ)上，基于CFD基礎(chǔ)理論，通過模擬水池中的波浪補償量來確定港口起重機(jī)裝卸位移的補償量，以某散貨船為例建立實體模型，基于CFD商業(yè)軟件Flow3D，通過CAD技術(shù)將船模STL格式文件導(dǎo)入Flow3D中分別進(jìn)行不同裝載條件下的波浪補償數(shù)值計算，并分析不同波浪條件下船舶的位移規(guī)律，從而驗證船舶港口裝卸模型在數(shù)值波浪水池中計算波浪補償問題的可行性.

1數(shù)學(xué)模型

1.1控制方程

以連續(xù)性方程、不可壓縮黏性流體運動的NavierStokes方程和RNG k-ε湍流方程作為流體運動的控制方程，具體表達(dá)式為

連續(xù)性方程：

式中：ρ為流體的密度；VF為可流動流體的體積分?jǐn)?shù)；Ax，Ay，Az分別為在空間坐標(biāo)系下x，y，z方向上可流動流體的面積分?jǐn)?shù)；Gx，Gy，Gz分別是物體在空間坐標(biāo)系下x，y，z方向上的重力加速度；fx，fy，fz分別是空間坐標(biāo)系下x，y，z方向上流體的黏滯力加速度；u，v，w分別是空間坐標(biāo)系下x，y，z方向上的速度分量.

湍流方程：

式中：方程右端PT表示由于速度梯度引起的紊動動能k的產(chǎn)生項；kT和εT分別為紊動動能和紊動耗散率；DkT和Dε為擴(kuò)散項；GT為由浮力引起的紊動動能產(chǎn)生項，對于不可壓縮流體取0；C1，C2，C3為經(jīng)驗常數(shù)項，C1=1.44，C2=1.92，C3=0.2.

1.2自由表面的處理

自由表面的模擬主要有Euler法、Lagrange法和EulerLagrange混合法等3類，其中發(fā)展比較成熟且應(yīng)用較廣泛的是Euler法.Euler法中MAC和VOF這兩種流量跟蹤方法應(yīng)用最多.本文采用VOF方法進(jìn)行自由表面追蹤.VOF方法的核心是通過求解流體體積函數(shù)

Fx，y，z，t的輸運方程來重構(gòu)運動的自由面輸運方程

1.3造波及消波

1.3.1造波

目前應(yīng)用較廣泛的數(shù)值造波方法是純數(shù)值造波技術(shù)，主要包括：源函數(shù)造波法和邊界條件造波法.本文在模擬波浪時使用的造波方法為邊界條件造波法.它是基于線性波理論及斯托克斯波理論的造波邊界條件，在邊界條件中輸入波要素生成線性規(guī)則波和斯托克斯波，并通過多種不同的波要素定義不規(guī)則波.

1.3.2消波

為使波浪能順利通過數(shù)值水池的出流邊界，降低反射波對計算域的影響，在出口邊界選擇Outflow邊界，即Sommerfeld輻射邊界條件為

式中：

φ為所要輻射的變量，在此即為速度U；C為波浪的傳播速度；

[WTHX]n[WTBX]為輻射邊界的法向向量.

由于Sommerfeld輻射邊界條件適合于小振幅線性波的消除[11]，對非線性波及隨機(jī)波消波效果一般，因此在模擬過程中加入了多孔介質(zhì)模型來降低反射波的影響.本文提出的多孔介質(zhì)消波是一種仿物理消波方法，具體處理方法是在動量方程中增加一個動量衰減的源項，該源項表達(dá)式為

式中：右端第一項為黏性損失項，第二項為慣性損失項；Si是i方向的動量方程的源項；v為速度大?。沪梁虲2為常數(shù).

2算例

2.1模型參數(shù)

數(shù)值模擬中各模型的具體參數(shù)值見表1.

2.2仿真思路

假設(shè)船舶系泊于港口，圖1中左圖為裝載時船舶處于正浮狀態(tài)的示意圖，右圖表示受到波浪影響發(fā)生橫傾的示意

圖.A為集裝箱吊鉤的位置，A′為橫傾后集裝箱的吊鉤位置.港口裝卸的工程問題最終

簡化為在波浪的作用下集裝箱吊鉤位置在Y軸和Z軸上的動態(tài)變化情況，即求出吊鉤從A到A′的過程中分別在Y軸和Z軸上的變化量.

2.3網(wǎng)格劃分

散貨船實船尺寸較大，因此在仿真過程中所建模型的尺寸為原型的

1/10.同時，由于整個數(shù)值水池長度過長，為保證計算精度及減少計算速度，采取分塊網(wǎng)格結(jié)構(gòu)對整個模擬范圍進(jìn)行網(wǎng)格劃分.網(wǎng)格質(zhì)量評價標(biāo)準(zhǔn)中最大長寬比為1時網(wǎng)格質(zhì)量最佳，即網(wǎng)格單元為正方形時有利于計算收斂.本文建造的數(shù)值水池中造波段、工作段及消波段網(wǎng)格的最大長寬比在1.008 77～1.022 23內(nèi)，3段長寬比近似為1，網(wǎng)格質(zhì)量較好.造波段網(wǎng)格大小為0.4，長度為28 m；工作段網(wǎng)格大小為0.3，長度為22 m；消波段網(wǎng)格大小為0.4，長度為26 m.網(wǎng)格總數(shù)為269 143.

2.4邊界條件、初始條件及計算工況

邊界條件：造波段采用Wave邊界；消波段采用Outflow邊界；左邊界和上邊界采用Symmetry邊界；底邊界和右邊界采用Wall邊界（無滑移邊界條件）.

初始條件：初始水位為5 m，整個流場為靜水壓力，初始時間步長0.01 s.

計算工況：定義Wave邊界的波浪參數(shù)，具體見表2.

3仿真結(jié)果

3.1斯托克斯波（五階波理論）數(shù)值水池的波浪補償

圖2為在基于五階波理論創(chuàng)建的斯托克斯波數(shù)值水池的前提下仿真出的該散貨船在裝卸前后Y軸和Z軸方向的補償量變化情況.從

圖2可以看出，在該數(shù)值水池中：造波穩(wěn)定后無論有無負(fù)載，Y軸和Z軸方向的波浪補償量變化都趨于穩(wěn)定，且變化規(guī)律性較強(qiáng)；相比較而言，Y軸方向在有負(fù)載情況下的波浪補償量變化幅度要大于無負(fù)載情況下的，然而Z軸方向的變化情況卻與之相反，有負(fù)載情況下的波浪補償量變化幅度要略小于無負(fù)載情況下的.

a） 無負(fù)載和有負(fù)載情況下Y軸方向的補償量

b） 無負(fù)載和有負(fù)載情況下Z軸方向的補償量

圖2斯托克斯波（五階波理論）數(shù)值水池的波浪補償量

3.2斯托克斯波（傅里葉級數(shù)理論）數(shù)值水池的波浪補償

圖3為在基于傅里

葉級數(shù)理論創(chuàng)建的斯托克斯波數(shù)值水池的前提下仿真出的該散貨船在裝卸前后Y軸和Z軸方向的補償量變化情況.從圖3可以看出，在該數(shù)值水池中：所造波浪在波形穩(wěn)定之后無論有無負(fù)載，Y軸和Z軸方向的波浪補償量變化穩(wěn)定性都較差；相比較而言，在有負(fù)載情況下Y軸和Z軸方向的波浪補償量變化幅度要遠(yuǎn)大于無負(fù)載情況下的，并且在有負(fù)載時兩方向的補償量變化無明顯規(guī)律.

a） 無負(fù)載和有負(fù)載情況下Y軸方向的補償量

b） 無負(fù)載和有負(fù)載情況下Z軸方向的補償量

圖3斯托克斯波（傅里葉級數(shù)理論）數(shù)值水池的波浪補償量

3.3線性波數(shù)值水池的波浪補償

圖4為在創(chuàng)建

的線性波數(shù)值水池中，通過對散貨船實體模型在水池中的仿真計算，得到的該散貨船在裝卸前后Y軸和Z軸方向的補償量變化情況.從圖4可以看出，在該數(shù)值水池中，所造波浪在波形穩(wěn)定之后：在有負(fù)載情況下，Y軸和Z軸方向的波浪補償量變化穩(wěn)定性較差，且補償量變化無明顯規(guī)律；在無負(fù)載情況下，Y軸和Z軸方向的波浪補償量變化穩(wěn)定性高，且補償量按照一定規(guī)律變化.

a） 無負(fù)載和有負(fù)載情況下Y軸方向的補償量

b） 無負(fù)載和有負(fù)載情況下Z軸方向的補償量

圖4線性波數(shù)值水池的波浪補償量

3.4不同波浪條件下波浪補償規(guī)律對比分析

從圖5和6中可以看出，在仿真過程中船舶實體模型不管有無負(fù)載都會向岸邊發(fā)生一定的傾斜，并且當(dāng)所造波浪的波形穩(wěn)定后，傾斜現(xiàn)象會逐漸減弱.結(jié)合工程實際，判斷出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象的原因是船舶靠岸一側(cè)的水流通道狹窄，流速增快，從而使靠岸側(cè)水流壓力較另一側(cè)有所降低.這也是工程實際中常說的“船吸現(xiàn)象”，滿足工程要求，計算結(jié)果符合實際情況.

圖5

不同波形有負(fù)載情況下Y軸方向的補償量

根據(jù)圖5和6中不同波浪條件下Y軸補償量的變化規(guī)律總結(jié)得到，基于五階波理論創(chuàng)建的斯托克斯波數(shù)值水池計算得到的波浪補償量穩(wěn)定性較好，且在波形穩(wěn)定后補償量變化規(guī)律性較好，因此選擇基于五階波理論創(chuàng)建的斯托克斯波數(shù)值水池作為算例仿真的計算環(huán)境.

圖6

不同波形無負(fù)載情況下Y軸方向的補償量

3.5算例測試

對不同波浪條件下的波浪補償規(guī)律進(jìn)行對比分析后，選擇基于五階波理論的斯托克斯波數(shù)值水池作為算例計算環(huán)境.假設(shè)40 s為一次裝卸周期，可以從上述結(jié)論中得出該散貨船每次裝卸時港口起重機(jī)所需的位移補償量.仿真的具體過程：第1次裝卸時為正浮狀態(tài)，不需要給定唯一補償量（Y=0，Z=0），起重機(jī)直接裝卸；40 s后進(jìn)行第2次裝卸時根據(jù)求出的橫傾和垂蕩的數(shù)值（圖2）確定起重機(jī)此次裝卸的位移補償量（Y=0.029 130，Z=0.032 002）；80 s后進(jìn)行的第3次裝卸是在第2次裝卸后負(fù)載產(chǎn)生變化的情況下根據(jù)求出的橫傾和垂蕩的數(shù)值（圖2）給出位移補償量（Y=-0.036 064，Z=-0.041 396）；按此循環(huán)，使起重機(jī)在負(fù)載不斷變化情況下獲得準(zhǔn)確的位移補償量.模擬過程中起重機(jī)獲得位置補償后便可以準(zhǔn)確捕捉到貨物的中心，該方法可以應(yīng)用于實際的港口作業(yè)中，從而提高整個港口裝卸效率.

4結(jié)論

本文提出了通過數(shù)值波浪水池來模擬為系泊于港口的船舶進(jìn)行裝卸時的波浪補償問題的新思路.該思路基于Flow3D軟件進(jìn)行了某散貨船的實體模型在數(shù)值波浪水池中的流固耦合仿真計算.計算結(jié)果表明，通過Flow3D仿真得到的港口裝卸時的波浪補償量理論上滿足工程要求.未來將通過不斷的實驗、優(yōu)化以及控制工程的引入，為港口實現(xiàn)自動化裝卸提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐.

參考文獻(xiàn)：

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