水波理論ppt課件

1、,流體力學(xué),第6章 水波理論（ Chapter 6. Water Wave Theory）,本章內(nèi)容：討論重力場(chǎng)中具有自由面的水波（水表面波或重力波）運(yùn)動(dòng)，重點(diǎn)講述線性簡(jiǎn)諧波的數(shù)學(xué)描述、運(yùn)動(dòng)特性和能量概念。為研究非線性波打下基礎(chǔ)。,波動(dòng)的物理本質(zhì)： 恢復(fù)力與慣性力的動(dòng)態(tài)平衡。,波動(dòng)的物理本質(zhì)： 恢復(fù)力與慣性力的動(dòng)態(tài)平衡。,Chapter 6. Water Wave Theory,2,海波： 潮汐波(tidal day)：太陽和月亮引力 地震津波(tsunami )：海底搖蕩 涌浪(ground swell) : 暴風(fēng)停止后的余留 風(fēng)波(wind wave )：陣風(fēng)作用,工程中常見的波： 聲波(

2、sound wave): 微弱壓縮波 激波(shock wave): 有限強(qiáng)度壓縮波 水波(water wave): 水表面波（g） 內(nèi)波(internal wave)：密度分層 毛細(xì)波(capillary wave): 表面張力(ripple),INTRODUCTION,風(fēng)波和船行波的恢復(fù)力是重力,海洋工程（Ocean Engineering) 海上鉆井平臺(tái)、海工結(jié)構(gòu)物、海底管線、岸堤壩和港口設(shè)計(jì)； 海浪發(fā)電。 船舶工程(Naval Architecture) 興波理論（wave making,）、興波阻力（wave resistance） 船舶搖擺（seakeeping）、抨擊（slamm

3、ing）、武器出入水 船舶操縱（ship manoeuvering） 水利工程(Hydraulic Engineering) 水壩設(shè)計(jì)、明渠流動(dòng)、河流動(dòng)力學(xué)（川流、水躍）,應(yīng)用(Applications)波浪與結(jié)構(gòu)物的相互作用,4,6.1 水波問題的基本方程和定解條件,基本假定：,運(yùn)動(dòng)無旋,Kelvin condition,理想流體 不可壓 重力場(chǎng) 不計(jì)表面張力,6.1.2 邊界條件及其線性化,1,假定,2,或,自由面條件的線性化（微幅波）：,作用于自由面和水中的兩種擾動(dòng)引起波動(dòng),線性水波問題定解條件：,線性波物相互作用問題定解條件：,6.1.3 初始條件(initial condition)

4、,設(shè)平面駐波的速度勢(shì)：,6.2.1 有限水深平面駐波的解（ ）,色散關(guān)系：,通解（基元波疊加）：,6.2 平面駐波周期性解,波動(dòng)圓頻率,波動(dòng)初相位,分離變量,柱波周期性解：,6.2.2 平面駐波的運(yùn)動(dòng)特征,波 面:空間上是正弦曲線，時(shí)間上在 間周期性上下振動(dòng)。 表面性：離水面越遠(yuǎn)，波動(dòng)衰減，即波動(dòng)僅限于水面附近區(qū)域。 節(jié) 點(diǎn)：波面與水平面的交點(diǎn)位置不隨時(shí)間變化，波形不向左右傳播，故稱駐波。,駐波實(shí)例：常常發(fā)生于有界域(容器、油船)或半無界流體域（垂直堤岸附近海域）內(nèi)。,駐波運(yùn)動(dòng)特征：,6.2.3 無限水深平面駐波,(色散關(guān)系),（progressive wave）,6.3 平面進(jìn)行波,波形：,

5、波峰位置,色 散 波,6.3.1 波形及波速,海洋中的潮汐波與河流中的水躍（水庫瀉水）均屬于長(zhǎng)波，這時(shí)流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)的垂向速度與水平速度相比是個(gè)小量。,無限深水波(deep water wave )：,波越長(zhǎng)，則跑得越快，周期越長(zhǎng),淺水波（shallow water wave ）：,水底深度 h 對(duì)波浪運(yùn)動(dòng)的影響：,色 散 波,無限深水波,記 、 、 為三種波的波速， 、 為無限和有限深水波的波長(zhǎng)。,有限深水波,淺水波（長(zhǎng)波）,無限深、有限深和淺水波的比較：,流體質(zhì)點(diǎn)作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)（不傳播）；質(zhì)點(diǎn)速度隨深度以指數(shù)遞減。,質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度：,質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡：,6.3.2 質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)速度和軌跡,軌跡曲線,波浪中

6、的質(zhì)點(diǎn) 在運(yùn)動(dòng)過程中經(jīng)過不同的位置 時(shí)，它的壓力保持不變。 即：平衡時(shí)刻位于平面 上的質(zhì)點(diǎn)組成等壓面，在波動(dòng)過程中它們?nèi)詾榈葔好?。這些等壓面稱為次波面，由 決定,6.3.3 壓力分布（無限深）,波群的波長(zhǎng)和波速:,無限深水波：,有限深水波：,淺水波：,6.4 波群與群速度（wave group & group velocity),圖6.5.2 船波系,船波運(yùn)動(dòng)壓力點(diǎn)源的興波，不同方向波疊,船壓力點(diǎn),壓力點(diǎn)興波圖形波峰略彎 曲的橫波系、散波系。,橫波波長(zhǎng)： 船波限于頂角 為的扇形區(qū) 域內(nèi)（Kelvin角 ）。,6.5 Kelvin波系船波,6.6.1 波的能量,總能量：,單位長(zhǎng)度內(nèi)波的平均總能量

7、：,6.6 波能的轉(zhuǎn)移及興波阻力,單位時(shí)間波轉(zhuǎn)移能量壓力對(duì)流體作的功。,一個(gè)周期內(nèi)壓力所作的功：,單位時(shí)間內(nèi)的平均功：,能量轉(zhuǎn)移的速度等于波的群速度。,無限水深進(jìn)行波： ，能量轉(zhuǎn)移速度為波速的一半。,6.6.2 能量的轉(zhuǎn)移,船速： 興波： ， ， 無限大控制體內(nèi)能量守恒：,船興波的能量來自于船，因此船航行時(shí)受到興波阻力，簡(jiǎn)稱波阻。,對(duì)于有限水深： 對(duì)于無限水深：,6.6.3 興波阻力（wave resistance）二維船,初相位 可選用均布于 之間的隨機(jī)量。 短峰波：三維饅頭波?？捎蓚鞑シ较虿煌拈L(zhǎng)峰波疊加而成 一般地，限方向角 。 水池及造波機(jī)：Towing Tank, Seakeeping Basin.,不規(guī)則波：在空間上和時(shí)間上都是隨機(jī)的（風(fēng)浪）。 波面測(cè)量浪高儀 長(zhǎng)峰波：二維波 長(zhǎng)峰不規(guī)則波：由方向相同的多個(gè)長(zhǎng)峰規(guī)則波疊加而成,規(guī)則波：余弦波，其波幅、波長(zhǎng)和波頻都是確定的（涌浪）。,6.7 不規(guī)則波,船模實(shí)驗(yàn)水池（ HUE） The ship model water basin of HUE,長(zhǎng)*寬*深=108*7*3.5米,水池拖車 （車速: 6.5m/s) The new tow carriag