海岸動力學(xué)2課件

1、海 岸 動 力 學(xué)2第二章 波浪的傳播變形和破碎第一節(jié)、波浪在淺水中的變化 第二節(jié)、波浪在水流中的特性 第三節(jié)、波浪近底邊界層和底摩阻引起的波浪衰減第一節(jié) 波浪在淺水中的變化 風(fēng)浪離開風(fēng)區(qū)后繼續(xù)傳播，傳播中由于彌散和能量損失，其頻率范圍和能量不斷變化，風(fēng)浪逐漸轉(zhuǎn)化為涌浪，涌浪的頻譜范圍窄，波形接近于簡諧波。 涌浪傳到濱海區(qū)以后，受海底地形、地貌、水深變淺、沿岸水流、港口及海岸建筑物等的影響，波浪產(chǎn)生變形、折射、繞射、反射等；當(dāng)波浪變陡或水深減少到一定限度后，產(chǎn)生破碎。 波浪在淺水中的變化對港口海岸建筑物和近岸航道設(shè)計等是重要的。在多數(shù)情況下，波浪是構(gòu)成近岸泥沙運動的主要原因，近岸泥沙運動影響著

2、航道和港區(qū)的淤積，造成岸灘的侵蝕變形。 波浪的淺水變形開始于波浪第一次“觸底”的時候，這時的水深約為波長的一半.隨著水深的減小，波長和波速逐漸減小，波高逐漸增大，到了波浪破碎區(qū)外不遠處，波浪的波峰尖起，波谷變坦而寬，當(dāng)深度減小到一定程度時，出現(xiàn)各種形式的波浪破碎。 此外，隨著水深變淺，如果波向與海底等深線斜交，波向也將發(fā)生變化，即所謂產(chǎn)生折射。 一、波浪守恒 波浪進入淺水區(qū)后，隨著水深變化，其波速、波長、波高和波向?qū)l(fā)生變化，但是其波周期則始終保持不變。 波向與x軸交角為的波動，波面方程如何表示?波浪沿x方向傳播其波面方程波浪沿x方向傳播時波面方程定義與x軸交角為(波向)定義波數(shù)矢量波向單位矢

3、量波向與x軸交角為時波面(相位函數(shù)) 波面波向沿x軸波向與x軸交角為傳播方向沿x軸波向與x軸交角為勢函數(shù)波向沿x軸波向與x軸交角為波向沿x軸波向與x軸交角為(波浪守恒方程) 波浪守恒方程的物理意義? 對于穩(wěn)定的波場，波周期(T2/)為常量，即不隨空間變化，即使水深有緩慢變化時，波周期也始終保持恒量。二、波能守恒和波浪淺水變形 在穩(wěn)定波場中，若假定波浪在傳播過程中波能是守恒的. 波能只沿著波向傳播，沒有能量穿過波向線，因此，波浪正向行近岸灘時，單位寬度內(nèi)的波能流在傳播中保持常數(shù)，即 E平均波能, c波速； n 波能傳遞率。 波浪進入淺水區(qū)后，波高會產(chǎn)生變化，這種變化稱為淺水變形。ks稱為淺水變形

4、系數(shù)。 隨著水深h的減小，波速c、波長L都逐漸減小，n卻逐漸增大。波高H在有限水深范圍內(nèi)隨水深減小略有減小，進入淺水區(qū)后，則隨水深減小而迅速增大。波高在有限水深范圍內(nèi)減小的原因與n值的增大有關(guān)。 三、波浪折射 波浪斜向進入淺水區(qū)后處于水深較大位置的波峰線推進較快，處于水深較小位置的推進較慢，波峰線就因此而彎曲并逐漸趨于與等深線平行，波向線則趨于垂直于岸線，波峰線和波向線隨水深變化而變化的現(xiàn)象稱為波浪折射。 (淺水)三、波浪折射1折射引起的波向線變化 若各變量沿y方向為恒量，即岸灘具有平直且相互平等的等深線時，上式可化簡為斯奈爾 (Snell) 定律 深水處波向角和波速 對于復(fù)雜地形海域通常采用

5、圖解方法繪制折射圖，也可用數(shù)值計算方法利用計算機求解和繪出折射圖。2折射引起的波高變化 設(shè)兩相鄰波向線在深水中的間距為b，進入淺水區(qū)后的間距變成bi。假設(shè)兩波向線之間的波能沒有損失，也無能量進入，則相鄰兩波向線之間單位時間平均向前傳播的波能不變，亦即 淺水變形系數(shù)波浪折射系數(shù)當(dāng)?shù)壬罹€平行時，任意水深處的波向角i為： 相鄰波向線之間的間距 輻聚、輻散將使海岸上各處的波高不等，這對海岸上泥沙運動有著重要影響。波浪輻聚處波能集中，可能會引起強烈的沖刷，反之，波浪輻散處波能分散，可能產(chǎn)生泥沙淤積。 四、波浪的反射與繞射 1波浪的反射 波浪在傳播過程中遇到陡峭的岸線或人工建筑物時，其全部或部分波能被反射

6、而形成反射波，這種現(xiàn)象稱為波浪的反射。反射波具有和入射波相同的波長和周期，但其波高的大小則隨反射波能的大小而定。 波浪反射系數(shù)Krf : 反射波高Hrf與入射波高Hi之比。其大小隨岸坡或人工建筑物的坡度、透水率、糙率及波陡而異。 1波浪的反射 當(dāng)波浪正向入射于直立不透水墻時，完全反射，反射波高等于入射波高，反射系數(shù)為Krf，其組合波為立波。 當(dāng)波浪不完全反射或波能在反射過程中有能量損失時，反射波高不等于入射波高，KrfHrf/Hi1，入射波和反射波相互疊加后形成不完全立波 2波浪繞射 波浪在傳播中遇到障礙物如防波堤、島嶼時，除可能在障礙物前產(chǎn)生波浪反射外，還將繞過障礙物繼續(xù)傳播，并在掩蔽區(qū)內(nèi)發(fā)

7、生波浪擴散，這種現(xiàn)象稱為波浪繞射。 波浪繞射是波浪從能量高的區(qū)域向著能量低的區(qū)域進行重新分布的過程。 繞射區(qū)同一波峰線上的波高不同，愈深入掩蔽區(qū)內(nèi)波高愈小，但其波周期則保持不變。(1) 規(guī)則波繞射 研究波浪繞射時，假定流體無粘性和不可壓縮，運動是無旋的，水深為恒定，則波場中的總波勢等于入射波勢和散射波勢之和，取坐標(biāo)系統(tǒng)(x, y, z)，波浪場的總速度勢應(yīng)滿足拉普拉斯方程規(guī)則波繞射問題數(shù)學(xué)提法 z= -h水底邊界條件自由水面邊界條件物體表面邊界條件 總波勢入射波勢(已知)散射波勢(需要求解)反映障礙物的影響 波向與x軸交角為時關(guān)于散射波勢的控制方程和邊界條件 波浪力 繞射區(qū)內(nèi)任一點波高 任一點

8、波高與入射波高之比稱為繞射系數(shù)速度 值得指出，天然海灣或人工港灣附近，因水底一般都不是水平的，水深是變化的，故進入海灣或人工港灣內(nèi)的波浪受繞射作用外還將受到折射影響，這時必須考慮折射和繞射的綜合作用。 (2)不規(guī)則波繞射 海浪是不規(guī)則波，試驗表明，不規(guī)則波繞射系數(shù)一般較規(guī)則波繞射系數(shù)為大，如按規(guī)則波繞射系統(tǒng)布置防坡堤，將使港口掩護情況偏于不安全。因此，80年代以來世界各國對不規(guī)則波繞射問題進行了廣泛研究。 五、波浪的破碎 1 極限波陡與破碎指標(biāo) 深水波的極限波陡有限水深極限波陡 淺水情況極限波陡淺水區(qū)破碎時，破碎點波高與水深之間的關(guān)系 用孤立波一階近似求得海灘上的破碎指標(biāo)為 柯林斯和韋爾得到的

9、經(jīng)驗公式為 給定深水波要素,任何求破碎時的波高與水深?深水波要素得到近岸區(qū)各點的波高與水深之比, 折射和繞射反射淺水變形計算 當(dāng)?shù)闷扑闀r的波高與水深岸灘具有平直且相互平行的等深線求破碎時的波高與水深2破碎波類型 波浪破碎的形態(tài)是多種多樣的，主要取決于深水中的波陡和近岸水底的坡度，大致可分為三種類型： 1)“崩波”型破碎波：波峰開始出現(xiàn)白色浪花，逐漸向波浪的前沿擴大而崩碎的波型，波的形態(tài)前后比較對稱。2)“卷波”型破碎波：波的前沿不斷變陡，最后波峰向前大量覆蓋，形成向前方飛濺破碎，并伴隨著空氣的卷入。3)“激散波”型破碎波：波的前沿逐漸變陡，在行進途中從下部開始破碎，波浪前面大部分呈非常雜亂的狀

10、態(tài)，并沿斜坡上爬。3破波帶 波浪破碎點至岸邊這一地帶稱為破波帶，在碎波帶內(nèi)由于水深從破碎點向岸不斷地減小，波浪始終處于破碎狀態(tài)，水體的紊動與漩渦非常強烈，是波能的主要消耗區(qū)域，也是海灘上泥沙運動最劇烈的地區(qū)。 破波帶大致可分為3個區(qū) 1)外碎波區(qū)，波形急劇變化，能量消耗較多，紊動和漩渦強烈，水體大量摻氣，區(qū)內(nèi)的水流特性與破波的型式關(guān)系很大，2)內(nèi)碎波區(qū)，該區(qū)內(nèi)的波高大致與水深相適應(yīng)，波前沿陡立，后坡平坦，這種波形稱為段波(Bore)。其波高完全由水深控制。3)上爬區(qū)，波浪到達岸線，波浪最后一次破碎，破碎后的水體由于剩余動能而涌上海灘，然后又由于重力作用而沿岸灘坡面下落。 破碎后任一點的波高近似

11、地與當(dāng)?shù)厮畛烧?碎波帶內(nèi)波高與水深之比可寫為 碎波帶內(nèi)波高對于水深的比值，由試驗確定。通常取為0.8。 破波帶波高衰減規(guī)律第二節(jié) 波浪在水流中的運動特性 漲潮時順?biāo)鬟M入河口附近的海浪波長增大、波高減??； 落潮時逆水流進入河口的海浪波長減小、波高增大，從而使波陡增大，有時造成波頂破碎. 第三節(jié) 波浪近底邊界層和底摩阻引起的波能衰減 波浪進入淺水區(qū)后，從波浪“觸底”時起，波浪即開始損失能量。這些損失可能包括如下3方面： 1摩阻損失 2滲透損失。 (粗沙或礫石海灘) 3泥面波阻力損失 (淤泥質(zhì) )為研究底部摩阻損失，首先要研究波浪的底部邊界層 在前面分析波浪運動時，對流體均作了無粘性的假定，但

12、在邊界面上(如海底)，水體的粘性作用是不能忽略的。 邊界層: 在短周期的波浪水流中，水流在不大的時間內(nèi)正負(fù)交變，只有在床面附近很薄的一層受到床面影響而存在剪切應(yīng)力，形成近面邊界層。在邊界層內(nèi)是粘性有旋的運動, 并受床面上流速等于零的邊界條件控制。邊界層外: 超出層以后的邊界層外水流，可以作為無粘無旋運動,來對待，剪切應(yīng)力為零，流速場可以用勢函數(shù)來描述。 流體紊動結(jié)構(gòu)、波浪底部摩阻力、波能衰減、波浪要素變化、波浪作用下的底沙起動輸移、懸沙分布等等，都直接或間接地與波浪作用下的底部邊界層有關(guān)。求解過程邊界層運動方程 流速分布 底部摩阻力波高衰減摩阻損失(能量損耗率)一、波浪的近底邊界層流速分布和摩

13、阻損失 1層流邊界層內(nèi)流速和摩阻損失 邊界層運動方程 邊界層外運動方程 (近底波浪水質(zhì)點水平速度 )(剪切應(yīng)力) 邊界層很薄，同一垂線上壓力p相同層流邊界層運動方程式 (只有u是變量)波浪邊界層內(nèi)任一點流速為 波浪邊界層厚度 層流邊界層床面摩阻力(或剪切應(yīng)力) 為 單位床面上時平均能量損耗率為 2紊流邊界層內(nèi)的流速和摩阻損失紊流邊界層內(nèi)的剪應(yīng)力 Kz紊動粘滯系數(shù), 與水流條件及邊壁的限制條件有關(guān)紊動邊界層運動方程式 很難直接確定 瓊森波浪摩阻系數(shù)的確定方法 最大底面剪切應(yīng)力 fw:波浪底摩阻系數(shù) 底部質(zhì)點離開其平均位置的最大遷移量 近底波浪質(zhì)點水平速度最大值 對于層流邊界層 對于紊流狀態(tài) 摩阻系數(shù)fw是波浪雷諾數(shù)Re和相對糙度的函數(shù) 近似地認(rèn)為瞬時床面剪切應(yīng)力為 因此紊流狀態(tài)下，單位床面上時平均能量損耗率 二、底摩阻引起的波高衰減 波浪傳播過程中，前后兩相鄰斷面間由于底摩阻引起的波高衰減可由于能量平衡進行計算 通過i-