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

關鍵詞　海洋工程環(huán)境　課程　教學改革

中圖分類號：G424 文獻標識碼：A

0　引言

海洋工程環(huán)境這門課重點介紹風、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)學生重要的專業(yè)基礎課，為后續(xù)船舶設計和平臺設計專業(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（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)境課程教學安排在第六學期，理論教學　46　學時，實驗教學兩學時。其相關課程有流體力學、船舶工程、海洋鉆井工程、海洋平臺工程等。通過對教學環(huán)節(jié)各方面的分析總結，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)境課程的內容很多，囊括了所有海洋工程環(huán)境的作用力。有限的學時分配顯然很難做到將教材中的內容講授完全，勢必有些內容只能泛泛帶過。因為課時緊張，授課方式以教師講授為主，無法發(fā)揮學生學習的主動性，也沒有足夠的時間與學生進行思維互動，進行啟發(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。由于實驗室建設還未完備，僅開設了一門實驗課，即立波的波壓力測定實驗，實驗設備僅有一套，限制了學生實驗的積極性和主動性。而且實驗也是讓學生按照規(guī)定程序完成實驗，不能很好調動學生的主觀能動性，積極參與進來，沒有達到實驗的真正目的。

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

2　教學改革方法

2.1　調整教學內容

（1）學習專業(yè)基礎課的目的是深化相關專業(yè)課程的學習，為其提供知識儲備。首先根據本校學生的學科發(fā)展需要合理安排海洋工程環(huán)境這門專業(yè)基礎課的內容，并在提升教師的教育理念，加強教材建設，優(yōu)化教法，重視實踐教學環(huán)節(jié)的基礎上建立海洋工程環(huán)境課程的教學團隊。團隊教師有計劃地組織課外答疑活動，引導專業(yè)資料的閱讀，提高學生對專業(yè)知識的理解和應用能力。

（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容：海浪、海浪觀測與海浪譜以及波浪作用力，除了基礎的波浪理論之外，這部分還包括現(xiàn)實的波浪觀測和記錄方法，隨機波的統(tǒng)計意義表達和海浪譜，最后波浪作用力的計算，將理論知識在實踐中應用。首次講課還可以多準備一些材料，介紹本課程的發(fā)展沿革，前輩專家學者的創(chuàng)見軼事等等，起到拋磚引玉的效果，有效激發(fā)學生的學習興趣和熱情。

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

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

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

2.2　多種教學手段的應用

（1）采用多媒體教學。圖片、視頻、Flash　動畫等，能形象表述風、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生的影響。對于必要的公式理論推導，可配以板書方式講授，使教學內容更加豐富生動，簡單明了，吸引學生的注意力。

（2）多介紹工程實例。海洋工程環(huán)境是一門實踐性很強的課程，工程案例是一項不可缺少的教學材料。尤其引入工程事故案例，通過這些工程事故使學生深感海洋環(huán)境中設計和校核工況這一關決不能放松，喚起學生的工程責任意識，不僅有助于學生更快理解理論知識，又能培養(yǎng)學生的專業(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，而是留給學生自己思考提出結論的余地。在具體操作上有兩種方法實現(xiàn)，一是課前布置議題，然后上課時組織學生討論并發(fā)言；二是鼓勵學生在課堂上提出問題，對于有爭議的問題，由學生隨機分組進行小組討論。

2.3　改革實踐教學環(huán)節(jié)

傳統(tǒng)的實驗教學主要是驗證性實驗，學生學習積極性不高，除實驗課程外還應加入實習環(huán)節(jié)。組織學生到唐島灣，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，可通過技術人員的現(xiàn)場講解加深對理論知識的掌握和應用。

2.4　強化教師教學能力

海洋工程環(huán)境專業(yè)的教師必須具備合理的知識結構，除了必備的海工專業(yè)基礎、流體理論基礎外，作為工程類課程的教師，實踐經驗也非常重要。學校應積極為教師創(chuàng)造實踐機會，安排教師深入相關企業(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會，比如國內外同類大學的短期進修培訓，還可以探索團隊式教學模式，由老教師一對一指導年輕教師，或全體教師通過定期的教案交流、參與指導學生申報大學生創(chuàng)新實驗項目等，逐步提高年輕教師業(yè)務能力和綜合素質。

3　結語

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)基礎課程，目前的教學環(huán)節(jié)和教學方法還不夠完善，教學效果未達到預期目標，本文提出的一些教改措施，還需要創(chuàng)造條件進行實踐，從而驗證其可行性和有效性。

參考文獻

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[2]　黃超，劉德華等.提高材料力學課堂教學質量體會.高等建筑教育，2011（20.5）.

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值波浪水池，并配合Sommerfeld輻射邊界條件以及多孔介質模型進行消波.結合CAD技術對船舶港口裝卸過程中的波浪補償進行數值分析，最終將該船舶港口裝卸過程中的波浪補償量轉化為起重機的位移補償量.仿真結果表明，該方法滿足工程要求，可為港口自動化裝卸提供技術支持.

關鍵詞：

港口裝卸； 波浪補償； 數值波浪水池； 造波； 消波

0引言

碼頭起重機在為船舶裝卸貨物時，其吊鉤可能因受到風、浪、流及其載荷變化的影響而不能準確地抓取到貨物，從而影響其裝卸效率.[1]通過建立數值波浪水池對港口裝卸作業(yè)進行數值模擬計算，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支持.

數值波浪水池是一種計算機仿真模擬程序，能夠模擬出真實波浪水池的各種功能.[2]數值波浪水池的創(chuàng)建帶有一定的主觀性，各國學者為了使模擬結果更接近真實值，從基本的波浪理論出發(fā)，對數值波浪水池進行了深入研究.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行了數值模擬；ORLANSKI[6]在數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對數值波浪水池進行消波，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技術的發(fā)展，許多學者[810]基于開源CFD程序庫OpenFOAM開展了數值波浪水池的開發(fā)工作，并取得了一定的成果.上述數值波浪水池的仿真結果和實驗數據的對比，表明CFD方法能夠有效地建立數值水池、造波和消波.本文在總結前人研究成果的基礎上，基于CFD基礎理論，通過模擬水池中的波浪補償量來確定港口起重機裝卸位移的補償量，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技術將船模STL格式文件導入Flow3D中分別進行不同裝載條件下的波浪補償數值計算，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值波浪水池中計算波浪補償問題的可行性.

1數學模型

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數；Ax，Ay，Az分別為在空間坐標系下x，y，z方向上可流動流體的面積分數；Gx，Gy，Gz分別是物體在空間坐標系下x，y，z方向上的重力加速度；fx，fy，fz分別是空間坐標系下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的產生項；kT和εT分別為紊動動能和紊動耗散率；DkT和Dε為擴散項；GT為由浮力引起的紊動動能產生項，對于不可壓縮流體取0；C1，C2，C3為經驗常數項，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)展比較成熟且應用較廣泛的是Euler法.Euler法中MAC和VOF這兩種流量跟蹤方法應用最多.本文采用VOF方法進行自由表面追蹤.VOF方法的核心是通過求解流體體積函數

Fx，y，z，t的輸運方程來重構運動的自由面輸運方程

1.3造波及消波

1.3.1造波

目前應用較廣泛的數值造波方法是純數值造波技術，主要包括：源函數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]，對非線性波及隨機波消波效果一般，因此在模擬過程中加入了多孔介質模型來降低反射波的影響.本文提出的多孔介質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??；α和C2為常數.

2算例

2.1模型參數

數值模擬中各模型的具體參數值見表1.

2.2仿真思路

假設船舶系泊于港口，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，采取分塊網格結構對整個模擬范圍進行網格劃分.網格質量評價標準中最大長寬比為1時網格質量最佳，即網格單元為正方形時有利于計算收斂.本文建造的數值水池中造波段、工作段及消波段網格的最大長寬比在1.008 77～1.022 23內，3段長寬比近似為1，網格質量較好.造波段網格大小為0.4，長度為28 m；工作段網格大小為0.3，長度為22 m；消波段網格大小為0.4，長度為26 m.網格總數為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，具體見表2.

3仿真結果

3.1斯托克斯波（五階波理論）數值水池的波浪補償

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，在該數值水池中：造波穩(wěn)定后無論有無負載，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；相比較而言，Y軸方向在有負載情況下的波浪補償量變化幅度要大于無負載情況下的，然而Z軸方向的變化情況卻與之相反，有負載情況下的波浪補償量變化幅度要略小于無負載情況下的.

a） 無負載和有負載情況下Y軸方向的補償量

b） 無負載和有負載情況下Z軸方向的補償量

圖2斯托克斯波（五階波理論）數值水池的波浪補償量

3.2斯托克斯波（傅里葉級數理論）數值水池的波浪補償

圖3為在基于傅里

葉級數理論創(chuàng)建的斯托克斯波數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，在該數值水池中：所造波浪在波形穩(wěn)定之后無論有無負載，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，在有負載情況下Y軸和Z軸方向的波浪補償量變化幅度要遠大于無負載情況下的，并且在有負載時兩方向的補償量變化無明顯規(guī)律.

a） 無負載和有負載情況下Y軸方向的補償量

b） 無負載和有負載情況下Z軸方向的補償量

圖3斯托克斯波（傅里葉級數理論）數值水池的波浪補償量

3.3線性波數值水池的波浪補償

圖4為在創(chuàng)建

的線性波數值水池中，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，在該數值水池中，所造波浪在波形穩(wěn)定之后：在有負載情況下，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） 無負載和有負載情況下Y軸方向的補償量

b） 無負載和有負載情況下Z軸方向的補償量

圖4線性波數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載都會向岸邊發(fā)生一定的傾斜，并且當所造波浪的波形穩(wěn)定后，傾斜現(xiàn)象會逐漸減弱.結合工程實際，判斷出現(xiàn)傾斜現(xiàn)象的原因是船舶靠岸一側的水流通道狹窄，流速增快，從而使靠岸側水流壓力較另一側有所降低.這也是工程實際中常說的“船吸現(xiàn)象”，滿足工程要求，計算結果符合實際情況.

圖5

不同波形有負載情況下Y軸方向的補償量

根據圖5和6中不同波浪條件下Y軸補償量的變化規(guī)律總結得到，基于五階波理論創(chuàng)建的斯托克斯波數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)建的斯托克斯波數值水池作為算例仿真的計算環(huán)境.

圖6

不同波形無負載情況下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)律進行對比分析后，選擇基于五階波理論的斯托克斯波數值水池作為算例計算環(huán)境.假設40 s為一次裝卸周期，可以從上述結論中得出該散貨船每次裝卸時港口起重機所需的位移補償量.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），起重機直接裝卸；40 s后進行第2次裝卸時根據求出的橫傾和垂蕩的數值（圖2）確定起重機此次裝卸的位移補償量（Y=0.029 130，Z=0.032 002）；80 s后進行的第3次裝卸是在第2次裝卸后負載產生變化的情況下根據求出的橫傾和垂蕩的數值（圖2）給出位移補償量（Y=-0.036 064，Z=-0.041 396）；按此循環(huán)，使起重機在負載不斷變化情況下獲得準確的位移補償量.模擬過程中起重機獲得位置補償后便可以準確捕捉到貨物的中心，該方法可以應用于實際的港口作業(yè)中，從而提高整個港口裝卸效率.

4結論

本文提出了通過數值波浪水池來模擬為系泊于港口的船舶進行裝卸時的波浪補償問題的新思路.該思路基于Flow3D軟件進行了某散貨船的實體模型在數值波浪水池中的流固耦合仿真計算.計算結果表明，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)自動化裝卸提供強有力的技術支撐.

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