海岸動力學(xué)1-1

1、第一節(jié)、概述第二節(jié)、微幅波理論第三節(jié)、有限振幅斯托克斯波理論第四節(jié)、淺水非線性波理論第五節(jié)、各種波理論的適用范圍第六節(jié)、隨機(jī)波理論簡介第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述一、海洋波動概念和波浪分類1、按波浪所受的干擾力和周期分類第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述一、海洋波動概念和波浪分類表面張力波: 其波長小于1.7cm，最大波高為1至2mm重力波: 周期130s的波浪，其主要干擾力是風(fēng)， 重力是它的恢復(fù)力。長周期波: 風(fēng)暴潮；海嘯。潮波: 其周期最長。1 1、按波浪所受的干擾力和周期分類、按波浪所受的干擾力和周期分類2、按波浪形態(tài)分類 規(guī)則波:離開風(fēng)區(qū)后自由傳播時的涌浪接近于規(guī)則波。 不規(guī)則波:大洋中的風(fēng)浪。3、

2、按波浪傳播海域的水深分類 深水波 : h/L0.5h/L0.5 有限水深波 0.50.5h/Lh/L0.050.05。 淺水波 h/L0.05h/L0.05 其中h為水深，L為波長, 4、按波浪運(yùn)動狀態(tài)分類 振蕩波 (推進(jìn)波, 立波)推移波5、按波浪破碎與否分類破碎波，未破碎波和破后波 此外根據(jù)波浪運(yùn)動的運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)處理方法，還可以把波浪分為微小振幅波(線性波)和有限振幅波(非線性波)兩大類。二、波浪運(yùn)動的描述方法和控制方程二、波浪運(yùn)動的描述方法和控制方程1、波浪運(yùn)動的描述方法 歐拉法:亦稱局部法，它是以空間某一固定點(diǎn)為研究對象，研究任一質(zhì)點(diǎn)流過固定點(diǎn)的運(yùn)動特性歐氏法研究的是某一流場的變化，

3、它能給出某一固定時刻空間各點(diǎn)的速度大小和方向，亦即給出流線(Stream line)。 拉格朗日法:亦稱全面法，它以空間某一質(zhì)點(diǎn)為研究對象，研究該質(zhì)點(diǎn)相對于初始條件的各個不同時間的位置、速度和加速度等。拉氏法研究的是某一質(zhì)點(diǎn)的位置變化，即質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡或稱跡線(Path line).描述規(guī)則波浪運(yùn)動的理論 微幅波理論(Airy ,1845) 有限振幅波理論( Stokes,1847)橢圓余弦波理論孤立波非線性波2 2、波浪運(yùn)動控制方程和定解條件波浪運(yùn)動控制方程和定解條件 沿正x方向以波速c向前傳播的二維運(yùn)動的自由振蕩推進(jìn)波，x軸位于靜水面上，z軸豎直向上為正。波浪在xz平面內(nèi)運(yùn)動。 簡單波理論假

4、設(shè)：流體是均質(zhì)和不可壓縮的；流體是均質(zhì)和不可壓縮的；流體是無粘性的理想流體；流體是無粘性的理想流體；自由水面的壓力是均勻的且為常數(shù)；自由水面的壓力是均勻的且為常數(shù)；水流運(yùn)動是無旋的；水流運(yùn)動是無旋的；海底水平、不透水；海底水平、不透水；流體上的質(zhì)量力僅為重力；流體上的質(zhì)量力僅為重力；波浪屬于平面運(yùn)動，即在波浪屬于平面運(yùn)動，即在xzxz平面內(nèi)作二維運(yùn)動。平面內(nèi)作二維運(yùn)動。 勢波的水質(zhì)點(diǎn)的水平分速u和垂直分速w可由速度勢函數(shù)導(dǎo)出 kwiuV kzixV xu zw 不可壓縮流體連續(xù)方程 0 zwxu02222 zx 02 或記作 xuzw勢波運(yùn)動的控制方程 定解條件 1) 在海底表面，水質(zhì)點(diǎn)垂直速

5、度應(yīng)為零，即0 hzw, 0 z z= -h 2) 在波面z=處，應(yīng)滿足兩個邊界條件.動力邊界條件:由假設(shè)自由水面壓力為常數(shù)并令p=0， 根據(jù) 伯諾里方程有,02122 gzxtzz非線性項(xiàng)非線性項(xiàng)自由水面運(yùn)動學(xué)邊界條件為 zzxxt, 0非線性非線性項(xiàng)項(xiàng) 3) 波場上、下兩端面邊界條件 ),(),(zctxtzx 02 波動定解問題, 0 z z=-hz=-h 02122 gzxtzz zzxxt, 0),(),(zctxtzx xu zw 2221zxtgzp p(壓力場)(流速場) 兩個困難 1) 自由水面邊界條件是非線性的；2) 自由水面位移在邊界上的值是未知的，即邊界條件不是確定的。

6、 要求得上述波動方程的邊值解，最簡單的方法是先將邊界條件線性化，將問題化為線性問題求解。 第二節(jié) 微幅波理論 一、微幅波控制方程和定解條件 波動問題線性化假設(shè)波動的振幅a遠(yuǎn)小于波長L或水深h， 微幅波理論。首先由艾利1845年提出， 艾利波理論。非線性項(xiàng)與線性項(xiàng)之比是小量，可略去， 線性波理論。 0, 0 zgt 0, 0 ztz 0,1 ztg zzxxt, 002122 gzxtzz0, 022 zzgt 0, 0 zgt 0, 0 ztz 0,1 ztg zzxxt, 002122 gzxtzz0, 022 zzgt 微幅波理論控制方程和定解條件可綜合寫成如下02 , 0 z 0, 02

7、2 zzgt 0,1 ztg ),(),(zctxtzx z= -htgzp xu zw p(壓力場)(流速場) )tanh(2khgk 波面二、微幅波理論解微幅波勢函數(shù)和彌散方程 分離變量法求解 )sin(coshcosh2tkxkhhzkgH 勢函數(shù)的解 自由水面波面)cos(2tkxH )tanh(2khgk 彌散關(guān)系 tanhtanh- -雙曲正切函數(shù)雙曲正切函數(shù), cosh-, cosh-雙曲余弦，雙曲余弦，sinh-sinh-雙曲余弦雙曲余弦-角頻率、角頻率、 k-k-波數(shù)波數(shù), h-, h-水深水深彌散方程等價關(guān)系式 )tanh(22khgTL )tanh(2khgTc )tan

8、h(2khkgc 當(dāng)水深給定時，波的周期愈長，波長亦愈長，波速也將愈大，這樣就使不同波長的波在傳播過程中逐漸分離開來。這種不同波長(或周期)的波以不同速度進(jìn)行傳播最后導(dǎo)致波的分散現(xiàn)象稱為波的彌散(或色散)現(xiàn)象。 )tanh(2khgk 三、微幅波解的討論深水波和淺水波 1深水波情況當(dāng)水深h或kh為無限大，即h, kh時，1)tanh( khkh9962. 0)tanh( khkh 水深h大于波長L的一半，或說kh時，可認(rèn)為已處于深水情況。這時，波浪彌散方程可以化簡為gk 2 220gTL 20gTc 在深水情況下波長和波速與波周期有關(guān)，而與水深無關(guān) 2淺水波情況當(dāng)水深與波長相比很小時，khkh

9、 )tanh(0khKh=/10 0.30420.3142khkh )tanh(hgk22 ghTLs ghcs kh/10或 hL/20時，屬于淺水，彌散方程簡化為 在淺水中波速只與水深有關(guān)，而與波周期或波長無關(guān)。因此任何波周期(或波長)的波浪傳播到淺水區(qū)后，波浪的傳播速度只由當(dāng)?shù)厮羁刂啤＃ǚ菑浬⒉ǎ? . 005. 0 Lh5.0 Lh05. 0 Lh20 hL2 hL淺水波 (長波) 中等水深波 深水波（短波） ghcs )tanh(2khgTc 20gTc 小結(jié)小結(jié) 四、微幅波的速度場和加速度場 )cos(sinhcoshtkxkhhzkTHxu )sin(sinhsinhtkxkh

10、hzkTHzw 任一點(diǎn)處水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的水平分速u和垂直分速w分別為 )cos(2tkxH 五、微幅波的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡 0,0yxdtddtd ,靜止時位于處的水質(zhì)點(diǎn)，在波動中以速度運(yùn)動著，在任一瞬間水質(zhì)點(diǎn)的位置在 00,yyxx與是水質(zhì)點(diǎn)遷移量 (質(zhì)點(diǎn)離開靜止位置的水平和垂直距離).處速度 微幅波假定: 00,yyxx處速度等于 0,0yxdtzxudtzxutt),(),(000000 dtzxwdtzxwtt),(),(000000 tkxkhhzkHdtwt 000cossinhsinh2水質(zhì)點(diǎn)的遷移量 tkxkhhzkHdtut 000sinsinhcosh2ab水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡方程為 12

11、20220 bzzaxx任意時刻水質(zhì)點(diǎn)的位置 0 xx 0yy 水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡為一個封閉橢圓，其水平長半軸為a，垂直短半軸為b。在水面處bH/2，即為波浪的振幅，在水底處b，說明水質(zhì)點(diǎn)沿水底只作水平運(yùn)動。 在深水情況下，a=b，水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動軌跡為為一個圓，在水面處軌跡半徑為波浪振幅，隨著質(zhì)點(diǎn)距水面深度增大，軌跡圓的半徑以指數(shù)函數(shù)形式迅速減小 六、微幅波的壓力場 微幅波場中任一點(diǎn)的波浪壓力可由線性化的伯諾里方程求得 2221zxtgzpz tgzpz 線性化線性化 tkxkhhzkHggzpz coscoshcosh2 zkggkgzpzzz zk(壓力響應(yīng)系數(shù)) 靜水壓力部分 動水壓力部分 kh

12、hzkkzcoshcosh Kz為壓力響應(yīng)系數(shù)或壓力靈敏度系數(shù)，它是z的函數(shù)，隨著質(zhì)點(diǎn)位置深度增大而迅速減小 七、微幅波的波能和波能流 1微幅波波能 勢能: 水質(zhì)點(diǎn)偏離平衡位置所致動能: 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動所致質(zhì)量流波能流動量流波周期平均值, 水深積分輸送量右邊右邊左邊左邊七、微幅波的波能和波能流 1微幅波波能 波浪能量隨著波浪向前傳播而傳播。研究近岸泥沙運(yùn)動，常常將其與波能聯(lián)系起來。 波能由勢能和動能兩部分組成。波浪勢能是因水質(zhì)點(diǎn)偏離平衡位置所致，一個波長范圍內(nèi)單寬波峰線長度的波浪勢能 : dxgdxdzgzELLp20002 LgHEp2161 勢能 LhkdxdzwuE0222 Lhkdxdzwu

13、E00222 LgHEk2161 LgHEEEkp281 波浪動能是由于質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動而產(chǎn)生，一個波長范圍內(nèi)單寬波峰線長度的波浪動能由下式計(jì)算 微幅波近似 一個波長范圍內(nèi)，單寬波峰線長度的平均總波能為 (單位海面面積上的波能)281/gHLEE 總波能為微幅波平均總波能與波高的平方成正比 2微幅波波能流(或波功率) 波周期平均值, 水深積分從左到右波能輸送量 (右邊能量的增加)右邊右邊左邊左邊 微幅波傳播過程中不會引起質(zhì)量輸移，但波動會產(chǎn)生能量的輸送。微幅波波能流由下式計(jì)算: dtdzugzpTPhzTtt 01 cnEP )2sinh(2121khkhngcEP 若令 為波能傳播速度 表明通過波能

14、流(或波功率)等于平均波能與波能傳播速度的乘積。cncg 八、微幅波的動量流和輻射應(yīng)力1動量流 222wwvwuvwvvuuwuvuM 瞬時動量流 u，v，w稱為正向動量流，其余各項(xiàng)為切向動量流。 水質(zhì)點(diǎn)速度在x、y、z方向的分量為u、v、w， 2輻射應(yīng)力(波浪引起的周期平均動量流) (作用在單位水柱體的垂直于x軸的側(cè)面上的x方向總水平動量流的時均值)(無波浪時作用在這個面上的水平動量流)=(作用在垂直于x軸平面上的x方向剩余動量流，稱為輻射應(yīng)力在x方向的主分量) dzpdzupShhzxx 002 右邊右邊左邊左邊作用在垂直于y軸平面上的y方向剩余動量流 dzpdzvpShhzyy 002

15、垂直于x軸平面上的y方向動量流或輻射應(yīng)力在垂直于x軸平面上的切向分量(波動壓力與靜水壓力都沒有切波動壓力與靜水壓力都沒有切向分量向分量) dzvuShxy yxxySS 張量形式 yyyxxyxxSSSSS0, 02 uu注意到3微幅波中的輻射應(yīng)力 微幅波理論的水質(zhì)點(diǎn)速度及波動壓力 微幅波的輻射應(yīng)力考慮波向與x軸一致，水質(zhì)點(diǎn)水平速度在y方向的分量v=0。 212nESxx 21nESyy0 xyS )2sinh(2121khkhn其中其中 2100212nnES波向與x軸一致時輻射應(yīng)力張量當(dāng)波浪傳播方向與x軸交成任意角度時輻射應(yīng)力張量 )12(sin2sin22sin2)12(21cos22n

16、nnnnnES 當(dāng)波浪場中波高不變時，單位水柱體上的作用力是平衡的。若波浪場當(dāng)波浪場中波高不變時，單位水柱體上的作用力是平衡的。若波浪場中的波高隨中的波高隨(x, y)(x, y)而變，則輻射應(yīng)力也隨而變，則輻射應(yīng)力也隨(x, y)(x, y)而改變。而改變。 九、波群和波群速度 實(shí)際波浪是由不同周期、不同波高的許多個波迭加起來的波，考察最簡單的迭加情況：假定兩列波高相同而波周期略有差別的簡單波的迭加。 txktkxHtxkkHtxkkH22cos.cos22cos222cos2 兩列簡單波迭加后的波形還是一個周期波，其最大振幅為H(為組成波振幅的2倍) tkxtxkH cos22cos振幅

17、原來的余弦波迭加后成為在包絡(luò)線內(nèi)變動的波浪。這種波浪迭加后反映出來的總體現(xiàn)象稱為波群。 波群傳播速度即為虛線波形向前推進(jìn)的速度，以cg表示 cndkdcg kcg )tanh(2khgk 十、駐波 當(dāng)兩個波向相反，波高、周期相等的推進(jìn)波相遇時，形成駐波(或稱立波)。正向波和反向波的波面和波勢: tkxH cos22,1 tkxkhhzkgH sincoshcosh22,1 相遇后疊合波的波面和波勢為 tkxH coscos21 tkxkhhzkgH coscoscoshcosh221 十、駐波 水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動水平分速u和垂直分速分別為 tkxkhhzkHxu sinsinsinhcosh tkxk

18、hhzkHzw sincossinhsinh .)3 , 2 ,01(,2/ nLnknx .)3 , 2 ,01(,).21(/)21( nLnknx u恒為零，w及具最大的振幅u具有最大的振幅，w及的振幅恒為零。腹點(diǎn):節(jié)點(diǎn) tkxH coscos21 tkxkhhzkHxu sinsinsinhcosh tkxkhhzkHzw sincossinhsinh 水質(zhì)點(diǎn)在腹點(diǎn)處作垂直振蕩，在節(jié)點(diǎn)處作水平振蕩。 推進(jìn)波對直立墻正向入射并發(fā)生全反射時，反射波與后一個振幅、波速、周期相等的入射波疊合，就會產(chǎn)生上述的立波。 立波的勢能及動能均為推進(jìn)波的2倍.當(dāng)sint=0時，u=w=0，故各處的動能均為零；達(dá)最大值，故勢能最大。反之，當(dāng)cost=0時，各處的均為零，u與w的數(shù)值均達(dá)最大值，故勢能為零，動能最大?？梢姡芰康霓D(zhuǎn)化是周期性地由動能轉(zhuǎn)變?yōu)閯菽?，或由勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽堋?不完全立波不完全立波: :在有些情況下，波浪不全部反射，則反射在有些情況下，波浪不全部反