水波理論課件

1、,流體力學,第6章 水波理論（ Chapter 6. Water Wave Theory）,本章內(nèi)容：討論重力場中具有自由面的水波（水表面波或重力波）運動，重點講述線性簡諧波的數(shù)學描述、運動特性和能量概念。為研究非線性波打下基礎(chǔ)。,波動的物理本質(zhì)： 恢復力與慣性力的動態(tài)平衡。,波動的物理本質(zhì)： 恢復力與慣性力的動態(tài)平衡。,Chapter 6. Water Wave Theory,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) : 暴風停止后的余留 風波(wind wave )：陣風作用,工程中常見的波： 聲波(so

2、und wave): 微弱壓縮波 激波(shock wave): 有限強度壓縮波 水波(water wave): 水表面波（g） 內(nèi)波(internal wave)：密度分層 毛細波(capillary wave): 表面張力(ripple),INTRODUCTION,風波和船行波的恢復力是重力,海洋工程（Ocean Engineering) 海上鉆井平臺、海工結(jié)構(gòu)物、海底管線、岸堤壩和港口設(shè)計； 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（slammin

3、g）、武器出入水 船舶操縱（ship manoeuvering） 水利工程(Hydraulic Engineering) 水壩設(shè)計、明渠流動、河流動力學（川流、水躍）,應用(Applications)波浪與結(jié)構(gòu)物的相互作用,6.1 水波問題的基本方程和定解條件,基本假定：,運動無旋,Kelvin condition,理想流體 不可壓 重力場 不計表面張力,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引起波動,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),設(shè)平面

4、駐波的速度勢：,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,波動圓頻率,波動初相位,分離變量,柱波周期性解：,6.2.2 平面駐波的運動特征,波 面:空間上是正弦曲線，時間上在 間周期性上下振動。 表面性：離水面越遠，波動衰減，即波動僅限于水面附近區(qū)域。 節(jié) 點：波面與水平面的交點位置不隨時間變化，波形不向左右傳播，故稱駐波。,駐波實例：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)。,駐波運動特征：,6.2.3 無限水深平面駐波,(色散關(guān)系),（progressive wave）,6.3 平面進行波,波形：,波峰位置

5、,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）均屬于長波，這時流體質(zhì)點運動的垂向速度與水平速度相比是個小量。,無限深水波(deep water wave )：,波越長，則跑得越快，周期越長,淺水波（shallow water wave ）：,水底深度 h 對波浪運動的影響：,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。,有限深水波,淺水波（長波）,無限深、有限深和淺水波的比較：,流體質(zhì)點作簡諧運動（不傳播）；質(zhì)點速度隨深度以指數(shù)遞減。,質(zhì)點運動速度：,質(zhì)點運動軌跡：,6.3.2 質(zhì)點運動速度和軌跡,軌跡曲線,波浪中的質(zhì)點

6、在運動過程中經(jīng)過不同的位置 時，它的壓力保持不變。 即：平衡時刻位于平面 上的質(zhì)點組成等壓面，在波動過程中它們?nèi)詾榈葔好妗＿@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,船波運動壓力點源的興波，不同方向波疊,船壓力點,壓力點興波圖形波峰略彎 曲的橫波系、散波系。,橫波波長： 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：,單位長度內(nèi)波的平均總能量：,6.

7、6 波能的轉(zhuǎn)移及興波阻力,單位時間波轉(zhuǎn)移能量壓力對流體作的功。,一個周期內(nèi)壓力所作的功：,單位時間內(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，因此船航行時受到興波阻力，簡稱波阻。,對于有限水深： 對于無限水深：,6.6.3 興波阻力（wave resistance）二維船,初相位 可選用均布于 之間的隨機量。 短峰波：三維饅頭波?？捎蓚鞑シ较虿煌拈L峰波疊加而成 一般地，限方向角 。 水池及造波機：Towing Tank, Seakeeping Basin.,不規(guī)則波：在空間上和時間上都是隨機的（風浪）。 波面測量浪高儀 長峰波：二維波 長峰不規(guī)則波：由方向相同的多個長峰規(guī)則波疊加而成,規(guī)則波：余弦波，其波幅、波長和波頻都是確定的（涌浪）。,6.7 不規(guī)則波,船模實驗水池（ HUE） The ship model water basin of HUE,長*寬*深=108*7*3.5米,水池拖車 （車速: 6.5m/s) The new tow carriag