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HydroD 实用教程（三）环境数据

news 2025/7/7 11:43:57

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.

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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

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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。

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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。

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Create Wind Profile

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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。

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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 $S(ω)S(\omega)$ 给出不同频率间隔内的成员波提供的能量， $S(ω)S(\omega)$ 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.

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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.

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