HydroD 实用教程（三）环境数据

一、前言

  SESAM （Super Element Structure Analysis Module）是由挪威船级社（DNV-GL）开发的一款有限元分析（FEA）系统，它以 GeniE、HydroD 和 DeepC 等模块为核心，是海洋工程结构分析的行业标准软件，主要用于海工结构的强度评估、波浪荷载计算和系泊系统分析等。GeniE、HydroD 和 DeepC 分别是 Sesam 系统的固定式结构分析模块、漂浮式结构分析模块和系泊系统分析模块。HydroD is the software package for robust hydrodynamic analysis and stability analysis.

Sesam Overview

  海工结构所在地的环境数据影响着环境荷载的计算，风荷载、波浪荷载等环境荷载的确定是进行结构强度评估的前提。环境数据主要有：空气密度、风速、波浪高度、浪向角度、洋流流速、海水深度和海水密度等，这些参数定义在 HydroD 的 Environment 文件夹内。Environment 文件夹下可以定义四类数据：Air、Directions、Water 和 Location。

Environment Data

编号	名称	内容
01	Air	wind profiles
02	Directions	directions、direction sets
03	Water	wave spectrums、spreading functions、current profiles、frequency sets phase sets、 wave height functions、regular wave sets
04	Location	海工结构所在地的空气密度、海水密度和海水深度等

Environment 文件夹

二、Location

  在 Environment 文件夹下可以创建多个 Location，每个 Location （如 Location1、North Atlantic、呼伦湖等）内定义着基本的环境参数，如重力加速度、空气密度，水深与水密度等。

Model Tree >> GeneralModeling >> Environment ->> New Location HuLunLake 为 Location 的名称

HuLunLake = Location();
HuLunLake.gravity = 9.80665 m/s^2;
HuLunLake.air.density = 1.226 Kg/m^3;
HuLunLake.air.kinematicViscosity = 1.462e-005 m^2/s;
HuLunLake.water.density = 1025 Kg/m^3;
HuLunLake.water.kinematicViscosity = 1.19e-006 m^2/s;
HuLunLake.setDepth(300m);

三、Wind Profile

  作用在结构上的风荷载与空气密度、建筑体型、风速等诸多因素有关。风速沿高度的变化规律，表征了地表摩擦对不同高度处风速的影响。在梯度风高度以下，风速随离地面高度增大而增加，且增加程度主要与地面粗糙度和温度梯度有关。在梯度风高度以上，风速保持不边，且等于梯度风速。平均风速沿高度的变化规律，常称为平均风速梯度或 Wind Profile（风速廓线）。

  在 HydroD 中，梯度风高度以内的 Wind Profile 有两种表示方式：Exponential Wind Profile（指数律）和 IMO MODU Wind Profile。目前，以指数律曲线（Power Law，Hellman，1916）表示的 Wind Profile 被国内外广泛采用，它是半经验、半理论公式。IMO MODU Wind Profile 是 IMO MODU Code 中给出的 Wind Profiel，IMO、MODU 分别为国际海事组织和移动式海洋钻井装置的简称。

Create Wind Profile

WindProfile1 = WindProfile(8.76,300,0.12);
WindProfileIMO_MODU1 = WindProfileIMO_MODU(8.76);

四、Directions

  Directions Data 用来描述波浪的传播方向，波浪的传播方向以浪向角表征，它是由整体坐标系的 +X 轴经逆时针旋转到波浪传播方向的角度。例如：0 度方向指的是波浪沿 X 轴正方向传播。在 Directions 文件夹下，Direction 用来定义单个方向，Direction Set 用来定义一系列的波浪方向。

Create Direction

Direction1 = Direction(36.7);
DirectionSet1 = DirectionSet(Array(0,45,90,135));

五、Water

5.1 Wave Spectrums

  海浪可视作由无限多个振幅不同、频率不同、方向不同、位相杂乱的余弦波（或正弦波）组成。不同频率的组成波具有不同的振幅，从而具有不同的能量。海浪的总能量由各组成波提供，海浪的能量谱 $S(\omega )$ 给出不同频率间隔内的成员波提供的能量，$S(\omega )$ 代表海浪能量相对于成员波频率的分布。海浪的能量谱直接给出海浪组成波能量相对于频率的分布，是随机海浪的一个重要统计性质。

  目前，国际上通用的海浪能量谱有两种：PM 谱和 JONSWAP 谱，两者均是有义波高和谱峰周期的函数。PM 谱适用于海浪发展比较充分的海域，JONSWAP（北海联合海浪计划）谱适用于有限风区。经过多年实践，JONSWAP 与实测数据更贴合，被广泛应用在海洋科学、海洋工程领域。我国南海可采用 JONSWAP 谱来描述海浪内部能量相对于频率的分布。

  Water 文件夹下可以定义三类波浪谱：5 参数 Jonswap 谱、Bretschneider 谱（2 参数 Pierson-Moskowitz 谱）和 Torsethaugen 谱。The wave spectra defined in HydroD are used for either computation of stochastic roll damping for a panel model or for linearization of drag for a Morison model.

WaveSpectrum1 = Jonswap5Para(100,0.4,1,0.07,0.09);
WaveSpectrum2 = Bretschneider(0.9,0.4);
WaveSpectrum3 = Torsethaugen(1.0,0.4);

5.2 Current Profile

  因风力、地球偏转力、海陆分布和海底起伏等因素的影响，海水会沿着一定方向有规律且速度相对稳定的水平流动，这就是洋流（Ocean Current）。它是海水的主要运动形式，风力是主要动力。洋流影响着流体的流速，从而影响着流体作用力的大小。

  在 HydroD 中，Current Profile 由标高、方向和速度三个参数定义。洋流的方向可以相对于波浪方向或 x 轴正方向给出。The current profile may only be used for a fixed Morison model, in a deterministic (“time-domain”) analysis with Wadam.

5.3 Frequency Set

5.4 Phase Set

5.5 Wave Height

5.6 Regular Wave Set

六、参考文献

[1]. HydroD User Manual.

[2]. HydroD/Tutorials Stability analysis and code checking

[3]. HydroD/Tutorials Wadam, Wasim and Meshing tools

[4]. 关于风机 叶片/荷载/控制 方面的介绍请访问：https://www.zhihu.com/column/c_1485646874003058688

[5]. 关于风机 有限元分析 方面的介绍请访问：https://blog.csdn.net/shengyutou

[6]. 联系作者 ，Email： [e-mail]

[7]. 联系作者 ，WeChat/Weixin： 761358045