第五章 海浪

1、第五章 海浪5 1 海浪的類型一.海浪要素海浪是發(fā)生在海洋中的一種波動現(xiàn)象,又稱波浪海浪要素：周期： T= /c 頻率 f=1/T波陡：=波高/波長深水中1/7， 波峰線：通過波峰且垂直于波浪傳播方向波向線：垂直于波峰線 平均波高：如有一段連續(xù)波高記錄分別為、，則此段時間的平均波高等于： 部分大波波高()在某一次觀測或一列波高系列中，按大小將所有波高排列起來，并就最高的P個波的波高計算平均值，稱為該P(yáng)部分大波的波高。例如共觀測1000個波，最高的前10個、100個和333個波的平均值，分別以符號、和表示。部分大波平均波高反映出海浪的顯著部分或特別顯著部分的狀態(tài)。習(xí)慣上將稱為有效波高（或稱有義波

2、高）。最大波高：指某次觀測中，實際出現(xiàn)的最大的一個波高。 各種波高間的換算 二.海浪運(yùn)動機(jī)理深水：水質(zhì)點(diǎn)以近似于圓形的軌道作圓周運(yùn)動 運(yùn)動半徑：隨著水深的增加而減小h=/2時;r4% r0（r0=a） 淺水：（ h/20） 運(yùn)動波及海底。三.海浪的分類1.按海水深度分深度深: 表面波（深水波）：hr 深度淺: 長波（淺水波h/20） 運(yùn)動波及海底。2.按周期分 3.按生成原因分：風(fēng)浪、潮波、海嘯4.按受力情況分：自由波：涌浪受迫波：潮波5.按波形前進(jìn)與否分：進(jìn)行波；駐波。6.按邊界條件分 微小振幅波 H/很小， H可忽略所有運(yùn)動方程式都是線性的。 有限振幅波：H不可忽略a.斯托克斯波 有“質(zhì)量

3、運(yùn)移” b.孤立波 H/1/10; 運(yùn)動集中在波峰附近c(diǎn).擺線波 7.內(nèi)波 5 2 海浪的形成 一.海浪形成假說(1)形成毛細(xì)波(2)風(fēng)以法向壓力形式給波浪傳遞能量(3)空氣小渦流加強(qiáng)了水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(4) 波長較短的波由風(fēng)取得能量轉(zhuǎn)給波長較長的波 二、海浪的消衰 1.分子粘滯性消耗的能量2.渦動消耗能量3.空氣的阻力4.海底摩擦5.波浪破碎 三.海浪的狀態(tài)1. 海浪三要素風(fēng)速：大于0風(fēng)時：狀態(tài)相同的風(fēng)作用的時間風(fēng)區(qū)：狀態(tài)相同的風(fēng)作用的海區(qū)風(fēng)大不一定浪大2.定常狀態(tài)風(fēng)區(qū)一定，海浪達(dá)最大；風(fēng)區(qū)增加，海浪高度增加；風(fēng)區(qū)是限制因素。 3.過渡狀態(tài)風(fēng)區(qū)一定，海浪未達(dá)最大；時間增加，海浪高度增加；風(fēng)時是限

4、制因素。 4.海浪的充分成長狀態(tài)能量收支平衡；海浪達(dá)最大；風(fēng)區(qū)、時間增加，海浪高度不增加。 5.判斷海浪狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)a. 最小風(fēng)時 成長至最大海浪所需的時間；未達(dá)最小風(fēng)時：過渡狀態(tài)b.最小風(fēng)區(qū) 成長至最大海浪所需的風(fēng)區(qū)。達(dá)最小風(fēng)時，未達(dá)最小風(fēng)區(qū)：定常狀態(tài) 最小風(fēng)時、風(fēng)區(qū)均滿足：充分成長狀態(tài) 四. 涌浪離開風(fēng)區(qū)的海浪稱為涌浪1.涌浪的特點(diǎn)：(1)波長小的浪衰減快(2)傳播中涌浪的周期和波長都在增加原因：選擇消衰作用，使周期小的波消衰得快.(3)波長比波高大40100倍；先頭涌可達(dá)1000倍以上有時是臺風(fēng)來臨的征兆(4)傳播距離遠(yuǎn):可達(dá)10000公里以上2. 涌浪傳播速度：3.涌浪波高消衰原因(1)

5、 粘滯性消耗：空氣的阻力和海水的渦動粘滯性消耗(2)離散：各個波的波速不同而引起；(3)角散：側(cè)向散開 五. 觀測到的大洋中的最大海浪北太平洋：波高34m，周期14.8s，波速為28.3m/s印度洋：觀測到24.9m的波高；及波長超過350m的風(fēng)暴波大西洋：觀測到波長824m，周期為23s的大浪，其波速達(dá)35.8m/s。5 3 海浪波動方程一. 海浪的波形 1.基本方程 5 1 2.周期 T =； 3.波長 =； 4.波數(shù)k ， 2距離內(nèi)波的個數(shù)； 5.圓頻率： 2個單位時間內(nèi)的振動數(shù)。在深水情況下，理論證明和的關(guān)系為： 1 （h） 另： 6.波峰（谷）的位置： n=0，1，2 7.波峰移動速

6、度 : 二.水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動與波形傳播的關(guān)系1質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動方程 考慮到振幅隨深度呈指數(shù)規(guī)律衰減，有 由圖可以看出/以平衡位置( x0，z0)代替實際位置( x，z) 積分： 令；有 ； 消去上二式 中的t： 2.質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動方程討論(1)當(dāng)zo時，質(zhì)點(diǎn)的速度為： =/2、5/2，； 正水平流速最大 ；換向，由負(fù)變正=3/2、7/2，；負(fù)水平流速最大 ；換向，由正變負(fù)=；3， ； 正垂直流速最大 換向，由正變負(fù)=0、2 ； 負(fù)垂向流速最大 ；換向，由負(fù)變正 =0，；=2，=/2 3/2 ，；=-/2/2，波形傳播 A點(diǎn)（輻聚）上升；B點(diǎn)（輻散）下降；波形向前傳播 （2）據(jù)水質(zhì)點(diǎn)的振幅公式知:當(dāng)時 ； 質(zhì)點(diǎn)的振

7、幅為: a0 =4.3%a0 當(dāng)=時 ； 質(zhì)點(diǎn)的振幅為:a =0.19%a0 三.波長、周期、波速間的關(guān)系 1.周期與波長、波速的關(guān)系 , , （1） 又 （2） 2. 波速與波長、周期關(guān)系由（1）得 （3） 由（2）、（3）得 （4） 3.波長與周期、波速的關(guān)系由(4)得 （5） 由(2)得 （6） 四.海浪波動的能量1.鉛直水柱的勢能(單位截面積) 2. 一個波長內(nèi)的勢能 3. 鉛直水柱的動能(單位截面積) ( ) () () ()（）4. 一個波長內(nèi)的動能(單位寬度) 5.總能量 E=E十E= 五、海浪能量的傳播 1. 傳播機(jī)理 動能為常量，只有勢能傳播2. 傳播功率 P=EC 取g=9

8、.8m/s，=100OKg/m；則 （Kgm/m） (Kw/m)(Kw/m) 六.波的疊加l.駐波由a、T同，方向不同的波疊加形成 討論： （1） sinkxsinx1 波腹 x n0，1，2， （2） sinkxsinx0 波節(jié)x士n， n0，1，2，（3）波腹與波節(jié)間距離：/4 波腹處只作垂向運(yùn)動 波節(jié)處只作水平方向運(yùn)動 波腹與波節(jié)之間的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動的軌跡為一小段直線；每個水質(zhì)點(diǎn)以平衡位置為中心沿某一方向上的直線做振動；2.群波由 波幅和波向相同，、T相近的波疊加形成=2acos 討論： 個別波波速為個別波 群波波速 振幅： 波峰處： 疊加過程54 海浪的作用力一.作用在孤立式建筑物上的波浪力1. 繞流的拖曳力(1) 拖曳力分類a.摩擦拖曳力：與流態(tài)和表面粗糙度有關(guān)b.壓差拖曳力：與流態(tài)和物體的形狀有關(guān)例：薄板 平行， 摩擦效應(yīng)為主 垂直， 壓差效應(yīng)為主（2）拖曳力計算FA 537 F=CA 538單位柱長上的拖曳力 f=CD 539（3）確定C值a.由物體形狀確定b. 由流體的流速確定（直立光滑圓柱） Re=vD/（4）水流的振蕩頻率 fS/D 5 40式中 S為斯托哈爾數(shù)2.繞流的慣性力 541 542M=V令 MKM 543則 F(l十K)M=M=V 544單位長度圓柱體 545 :質(zhì)量系數(shù)，查表可