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1、第五章 海浪5 1 海浪的类型一.海浪要素海浪是发生在海洋中的一种波动现象,又称波浪海浪要素：周期： T= /c 频率 f=1/T波陡：=波高/波长深水中1/7， 波峰线：通过波峰且垂直于波浪传播方向波向线：垂直于波峰线 平均波高：如有一段连续波高记录分别为、，则此段时间的平均波高等于： 部分大波波高()在某一次观测或一列波高系列中，按大小将所有波高排列起来，并就最高的P个波的波高计算平均值，称为该P部分大波的波高。例如共观测1000个波，最高的前10个、100个和333个波的平均值，分别以符号、和表示。部分大波平均波高反映出海浪的显著部分或特别显著部分的状态。习惯上将称为有效波高（或称有义波
2、高）。最大波高：指某次观测中，实际出现的最大的一个波高。 各种波高间的换算 二.海浪运动机理深水：水质点以近似于圆形的轨道作圆周运动 运动半径：随着水深的增加而减小h=/2时;r4% r0（r0=a） 浅水：（ h/20） 运动波及海底。三.海浪的分类1.按海水深度分深度深: 表面波（深水波）：hr 深度浅: 长波（浅水波h/20） 运动波及海底。2.按周期分 3.按生成原因分：风浪、潮波、海啸4.按受力情况分：自由波：涌浪受迫波：潮波5.按波形前进与否分：进行波；驻波。6.按边界条件分 微小振幅波 H/很小， H可忽略所有运动方程式都是线性的。 有限振幅波：H不可忽略a.斯托克斯波 有“质量
3、运移” b.孤立波 H/1/10; 运动集中在波峰附近c.摆线波 7.内波 5 2 海浪的形成 一.海浪形成假说(1)形成毛细波(2)风以法向压力形式给波浪传递能量(3)空气小涡流加强了水质点的运动(4) 波长较短的波由风取得能量转给波长较长的波 二、海浪的消衰 1.分子粘滞性消耗的能量2.涡动消耗能量3.空气的阻力4.海底摩擦5.波浪破碎 三.海浪的状态1. 海浪三要素风速：大于0风时：状态相同的风作用的时间风区：状态相同的风作用的海区风大不一定浪大2.定常状态风区一定，海浪达最大；风区增加，海浪高度增加；风区是限制因素。 3.过渡状态风区一定，海浪未达最大；时间增加，海浪高度增加；风时是限
4、制因素。 4.海浪的充分成长状态能量收支平衡；海浪达最大；风区、时间增加，海浪高度不增加。 5.判断海浪状态的标准a. 最小风时 成长至最大海浪所需的时间；未达最小风时：过渡状态b.最小风区 成长至最大海浪所需的风区。达最小风时，未达最小风区：定常状态 最小风时、风区均满足：充分成长状态 四. 涌浪离开风区的海浪称为涌浪1.涌浪的特点：(1)波长小的浪衰减快(2)传播中涌浪的周期和波长都在增加原因：选择消衰作用，使周期小的波消衰得快.(3)波长比波高大40100倍；先头涌可达1000倍以上有时是台风来临的征兆(4)传播距离远:可达10000公里以上2. 涌浪传播速度：3.涌浪波高消衰原因(1)
5、 粘滞性消耗：空气的阻力和海水的涡动粘滞性消耗(2)离散：各个波的波速不同而引起；(3)角散：侧向散开 五. 观测到的大洋中的最大海浪北太平洋：波高34m，周期14.8s，波速为28.3m/s印度洋：观测到24.9m的波高；及波长超过350m的风暴波大西洋：观测到波长824m，周期为23s的大浪，其波速达35.8m/s。5 3 海浪波动方程一. 海浪的波形 1.基本方程 5 1 2.周期 T =； 3.波长 =； 4.波数k ， 2距离内波的个数； 5.圆频率： 2个单位时间内的振动数。在深水情况下，理论证明和的关系为： 1 （h） 另： 6.波峰（谷）的位置： n=0，1，2 7.波峰移动速
6、度 : 二.水质点运动与波形传播的关系1质点运动方程 考虑到振幅随深度呈指数规律衰减，有 由图可以看出/以平衡位置( x0，z0)代替实际位置( x，z) 积分： 令；有 ； 消去上二式 中的t： 2.质点运动方程讨论(1)当zo时，质点的速度为： =/2、5/2，； 正水平流速最大 ；换向，由负变正=3/2、7/2，；负水平流速最大 ；换向，由正变负=；3， ； 正垂直流速最大 换向，由正变负=0、2 ； 负垂向流速最大 ；换向，由负变正 =0，；=2，=/2 3/2 ，；=-/2/2，波形传播 A点（辐聚）上升；B点（辐散）下降；波形向前传播 （2）据水质点的振幅公式知:当时 ； 质点的振
7、幅为: a0 =4.3%a0 当=时 ； 质点的振幅为:a =0.19%a0 三.波长、周期、波速间的关系 1.周期与波长、波速的关系 , , （1） 又 （2） 2. 波速与波长、周期关系由（1）得 （3） 由（2）、（3）得 （4） 3.波长与周期、波速的关系由(4)得 （5） 由(2)得 （6） 四.海浪波动的能量1.铅直水柱的势能(单位截面积) 2. 一个波长内的势能 3. 铅直水柱的动能(单位截面积) ( ) () () ()（）4. 一个波长内的动能(单位宽度) 5.总能量 E=E十E= 五、海浪能量的传播 1. 传播机理 动能为常量，只有势能传播2. 传播功率 P=EC 取g=9
8、.8m/s，=100OKg/m；则 （Kgm/m） (Kw/m)(Kw/m) 六.波的叠加l.驻波由a、T同，方向不同的波叠加形成 讨论： （1） sinkxsinx1 波腹 x n0，1，2， （2） sinkxsinx0 波节x士n， n0，1，2，（3）波腹与波节间距离：/4 波腹处只作垂向运动 波节处只作水平方向运动 波腹与波节之间的水质点运动的轨迹为一小段直线；每个水质点以平衡位置为中心沿某一方向上的直线做振动；2.群波由 波幅和波向相同，、T相近的波叠加形成=2acos 讨论： 个别波波速为个别波 群波波速 振幅： 波峰处： 叠加过程54 海浪的作用力一.作用在孤立式建筑物上的波浪
9、力1. 绕流的拖曳力(1) 拖曳力分类a.摩擦拖曳力：与流态和表面粗糙度有关b.压差拖曳力：与流态和物体的形状有关例：薄板 平行， 摩擦效应为主 垂直， 压差效应为主（2）拖曳力计算FA 537 F=CA 538单位柱长上的拖曳力 f=CD 539（3）确定C值a.由物体形状确定b. 由流体的流速确定（直立光滑圆柱） Re=vD/（4）水流的振荡频率 fS/D 5 40式中 S为斯托哈尔数2.绕流的惯性力 541 542M=V令 MKM 543则 F(l十K)M=M=V 544单位长度圆柱体 545 :质量系数，查表可得 3.总的绕流力:FFD+Fl= CA+V 546 上式适用与小尺度D/0.2孤立柱体二.小尺度孤立桩柱上的波浪力作用于柱体微元上的力 5 47 整个桩柱上的总波力 5 48波力对桩柱的总力矩(以海底zh为基准) M采用深水波理论： （）三、计算多桩柱上的波力 用图形叠加法