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1、第二章 风与风载荷 第一节 风与风的描述 一 大气环境及其描述 风是大气环境受到太阳辐射，地球自转，地表物理化学特 性影响而产生的一种维持大气系统平衡的自然现象。 1、表征大气状态的物理量 气压，温度，密度，湿度，风速，风向。 气压-大气作用于地球表面单位面积上的力，叫做大气压 力，简称气压。它是时间和空间的函数。 等压线-瞬时气压观测值相等的各个点联成的线。相邻两 等压线的差为一定值，一般为5 mb或2.5 mb。 (1mb=3/4 mmHg) 2、天气形势图 等压面形势图；等高面形势图。 3、海平面气压场 用海平面等压线图表示。 海平面气压场的 9 种主要形式：低压、高压、低压槽、 高压脊
2、、低压带、高压带、副低压、副高压、鞍形区 二 风的形成及其描述 1、风的形成 1）成因 由于气压在水平方向上分布的不均匀性而产生的空气从高 压区向低压区的运动。 2）运动方程 气流运动满足动量方程。 空气密度； 空气粒子的速度矢量； 作用在空气粒子上的外力矢量。 关于柯氏加速度 使空气产生并维持大幅度水平流动的主要作用力是气压梯 度力。气压梯度力是由于地球表面大气压力分布不均匀而形成 的。在气象学中常常用等气压线来表示气压的分布状态。在高 的等气压线与低的等气压线之间形成气压梯度力，该梯度力垂 直于等气压线。在气压梯度力的作用下，使空气自高压区流向 低压区而形成风。流动着的空气除受气压梯度力的
3、作用外，还 受因地球自转而形成的地转偏向力或称柯氏加速度力的作用， 该地转偏向力使北半球的气流向右偏转，南半球则反之。柯氏 力是惯性力，它总是与运动气流的方向垂直。它对空气不作功 而只是便气流运动方向变向。 3）风的类型 地转风 地转风指在自由大气层中等压线平直的风场内形成的风 梯度风 梯度风指在气旋效应显著，等压线弯曲的风场内，不考虑 摩阻力作用形成的风。（空气运动方程中增加离心力项） 海面风 海面风速考虑了摩阻力和海面垂直对流影响的风速。 质点轨迹 柯氏力 压差梯度力 风速矢量 图2-1地转风形成过程 L H 图2-3低压中心气旋图2-4高压中心气旋 P1 P2 P1 P2 fc v f
4、图2-2海面风形成过程 移动趋势：向西北方向移动 4）台风 台风是热带海洋上空形成的急速旋转的逆时针低压气旋 强度：（以靠近台风中心地面处的最大风速和台风中心 处海面的最低气压值而确定） 热带低气压-气旋中心风力在7级以下（最大风速10.8 17.1m/s）。 热带风暴 -气旋中心风力在8-11级（最大风速17.2 32.6m/s）。 强台风暴-气旋中心风力在12级以上（最大风速大于 32.6m/s）。 结构：台风为近似圆形的逆时针气旋，风速沿径向变化 可分为外，中，内三圈。 外圈：自台风边缘至台风最大风速区的外缘，半径为 200300km，圈内风速里大外小。 中圈：从风眼壁至最大风速区外缘，
5、R约为100km，又称 为气流急剧旋转区。 内圈：台风风眼壁圈，半径为530km,该区域内风速自外 向内迅速递减，直至为0，内圈又称为风眼。 移动特性：气旋中心移动速度为台风移动速度。 移动趋势：向西北方向移动。 生命期：3-8天。 P,V (1) S P0 (2) (3) Vmax R 风速曲线 风压曲线 图2-5 台风风速、风压结构示意图 （风圈结构示意图） 台风区内的气压分布 式中： 台风区内某点的气压（mb） (1mb=3/4mmHg) 台风外围气压，可用最外圈闭合等压线的气压值 代替(mb) 台风外围气压与中心气压P0之差(mb) 台风中心附近最大风速点与台风中心的距离km 台风区内
6、距中心 r 的某点的风速 式中： 地球自转角速度，取 r 该点距台风中心的距离，km； 纬度； 空气密度值，取 沿 r 方向的气压剃度。 1005 1002.5 1000 970 1002.6 P 应用实例： Pc=1005mb;P0=970mb，则 对图中气压P=1002.6的 A站，可量取与台风中心的 距离 r =214km，则： 5）风的描述 风向：指风的来向，用十六个方位表达：N、NNE、NE 、ENE、E、ESE、SE、SSE、S、SSW、SW、WSW、W、 WNW、NW、NNE 风向在天气形势图上用风向矢杆及尾部的风速标记来表达 ，风向矢杆指向风的来向。 风向矢杆上的风速标记有：小
7、旗，20m/s,，长划，4m/s， 短划，2m/s。 风速：空气在单位时间内移动距离。 风级：按风速大小划分十八个风级，称为Beanfort风级。 三 风速计算 1、风速垂直分布计算 风速垂直分布的影响因素有：1）大气层特性，如温度，湿 度，水平气压梯度等； 2）海面特性，粗糙度，反射率，温 度，湿度。 对数公式： 使用于距地面100m以内风速分布计算。 式中：K0为高度换算系数。 Z0为风速为零处高度，取决于粗糙度，0.001 0.15m. （陆上平均值可取0.03米，海上可取0.003米，冰上可取 0.001米） 指数公式： 适用于高于100m以上的风速分布计算： m为指数，约为1/15-
8、1/4，常取m=1/7。 2、地转风速的计算 海面风速： 3 风速时段修正计算 一般风速都指平均风速，各时段平均风速可作互换 式中：t为时段长度。秒。 也可按如下风速系数进行换算： V10min 1.0 V5min 1.05 极值风速 Vm 1.16 极大阵风 V3s 1.37 3s gust wind velocitv 第二节 海洋工程结构与装置的风载荷计算 一风与结构的相互作用 1、绕流现象 2、风载荷 阻力（拖曳力）：结构前后部动压差之和 升力：旋涡周期性脱离的不对称性导致周期性激振力 二 风载荷计算 结构风载荷可视为结构表面风动压力之和 总作用力： 拖曳力： 升 力： 上式为风载荷计算
9、的通式 式中： Ap为结构在垂直于风向方向上投影面积 Cd为阻力系数 Cl为升力系数。 三 实用风载荷计算 1、API风力公式American Petroleum Institute 式中，F：风力， Ib or N Cs, 形状系数； A，投影面积， Sm or S.ft ； v, 持续风速，m/h or km/h。 API推荐如下形状系数： 梁 Cs=1.5 结构平面 Cs=1.5 圆柱 Cs=0.5 同时API推荐风速垂直分布计算采用指数公式， 阵风 ： m=1/13，持续风暴 ： m=1/8。 English Units Metric Units 2、ABS风力公式American B
10、ureau of Shipping 式中， F：风力， kg or Ib Cs,形状系数； Ch, 高度系数; A，投影面积， S.m or S.ft ; v，平均风速 m/s or knot（节）海面m高处。 English Units Metric Units BS推荐的如下高度系数：Height (feet) 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
11、 BS推荐的形状系数 形状 ABS,LR ZC NV BV 园筒形 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 甲板以下区域的光滑构件 1.0 1.0 1.5 1.0 孤立结构物（起重机、梁等）1.5 1.5 2.0 井架（每一面） 1.25 1.25 ABS美国船舶检验局 ZC中国船舶检验局 LR英国劳氏船级社 NV挪威船级社 BV法国船舶检验局 3、Zc风力公式中国船级社 有关参数可查阅规范。 4、半潜式平台风载荷计算 装置总风载荷计算原则：将结构分成多个风力单元，分别 计算各个风力单元的风力和风力矩，迭加后得到总的风力和风 力矩。 在半潜式平台发生倾斜时，由于风力单元的投影面积，形 心距海面高度都发生了变化，故其风载荷将发生变化。 在平台稳定性校荷中，还需计算在平台倾斜时风载荷 曲线，如下图所示： 风倾力矩 平台倾角 风倾力曲线 平台回复力矩曲线
