海岸动力学.doc
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海岸动力学复习提纲
初始章概论
1、基本概念
海岸带:
以海岸线为准,向陆地10公里,向海到-10m或-15m等深线范畴内为海岸带。
海岸带又分为①潮上带②潮间带③潮下带
海岸线:
沿海岸滩与平均大潮高潮面交线称为海岸线。
潮上带:
平均高潮以上
潮间带:
平均高潮与平均低潮之间
潮下带:
平均低潮以下
2、海岸类型
①基岩海岸
基岩海岸主要由岩石组成,地质条件比较好,是建港的良好地点。
②沙质海岸
组成的泥沙粒径0.06mm
1000。
波浪对它的作用主要是迁移。
主要功能为旅游业。
③淤泥质海岸
淤泥质海岸由淤泥构成,泥沙粒径<0.06mm。
潮间带比较发育,剖面坡度很缓,坡度1:
500~1:
2000。
主要用途为围垦和养殖。
④生物海岸
生物海岸包括1.红树林海岸和2.珊瑚礁海岸
1.红树林海岸:
红树林是公认的“天然海岸卫士”。
我国的红树林海岸主要分布在海南,福建,台湾沿海。
红树林海岸的作用主要有消浪、滞流、促淤、保滩。
2.珊瑚礁海岸:
是由珊瑚礁组成的海岸,是海防前哨。
可用于潜水及海底观光。
3、海岸动力因素
长期因素具有周期性,相对确定性;短期因素具有偶然性。
4、海岸开发现况
①海岸港口建设
②围垦,建海堤
③海岸资源开发利用
1.土地资源
2.盐资源
3.渔场
4.油气资源
④海岸环境保护
5、海岸动力学研究方法
①理论分析
②实验室试验研究
③现场原型观测研究
④数学模拟研究
第一章波浪理论
第一节波浪的分类
1、按波浪所受干扰力和周期分类:
(1)表面张力波:
周期最短,风是干扰力,恢复力是表面张力。
(2)重力波:
周期1~30s,风是干扰力,恢复力是重力。
(3)长周期波:
周期5min~12h,由风暴或地震生成。
(4)潮波:
周期10h或24h,由天体运功生成。
风浪:
风浪直接受风力作用,是一种强制波。
风浪的大小取决于风速、风时和风距的大小。
特点:
海面连续变化的紊乱的波峰和波谷,波形极不规则,波浪传播方向也变化不定。
涌浪:
当风平息后或风浪推移到风区以外时,受惯性和重力作用,水面继续保持振动,这种波浪称为涌浪。
特点:
海面呈现出较为规则的波峰和波谷。
离风区越远,波形越规则。
2、按波浪形态分类:
规则波:
波形规则,具有明显的波峰和波谷,二维性质显著。
不规则波:
波形杂乱,波高、波周期和波浪传播方向不定,在空间上具有明显的三维性质。
3、按波浪运动状态分类:
,振荡波又分为推进波和立波。
振荡波:
波动中若水质点围绕其静止位置沿着某种固有轨迹作周期性的来回往复运动,质点经过一个周期后没有明显的向前推移,这种波浪称为振荡波。
推进波:
振荡波中若波剖面对某一参考点作水平运动,波形不断向前推进,称为推进波。
立波:
振荡波中若其波剖面无水平运动,波形不再推进,只有上下振荡,则称为立波。
推移波:
波动中若水质点只朝波浪传播方向运动,在任一时刻的任一断面上,沿水深的各质点具有几乎相同的速度,这种波浪称为推移波。
4、按波浪传播海域的水深分类:
①深水波h/L>0.5
②有限水深波0.05 ③浅水波h/L<0.05 第二节波浪运动的描述方法 1、描述方法: 2、现有理论: (1)微幅波理论 (2)有限振幅波理论 (3)椭圆余弦波理论 (4)孤立波理论 (5)斯托克斯波理论 其中, (1)为线性波理论, (2)(3)(4)(5)皆为非线性波理论。 第三节微幅波理论 1、前提: 建立简单波理论时,作如下假定: (1)流体是均质和不可压缩的,其密度为一常数。 (2)流体是无粘性的理想流体。 (3)水流运动是无旋的。 (4)自由水面的压力是均匀的且为常数。 (5)质量力仅为重力,表面张力和柯氏力可忽略不计。 (6)海底水平、不透水。 (7)波浪属于平面运动。 2、控制方程: 式 (1) 3、边界条件: (1)底部边界条件: 式 (2) (2)自由表面边界条件: 式(3) 式(4) (3)侧边界条件: 式(5) 对于(3)(4)两式,首先忽略掉非线性项,然后做泰勒展开,有: 式(6) 式(7) (1) (2)(5)(6)(7)五个式子构成了的控制方程和定解条件。 4、微幅波理论解: 确定坐标系后,假定波面为一余弦函数曲线方程: , 同时,将速度势函数写为: , 联立控制方程和定解条件5个方程,可以推求出: 5、弥散关系: 由可以推出①,进而可以得到②③。 ① ② ③ *: T不变时,h减小,L变短,H/L变大;h不变时,T愈长,L愈大。 6、解的讨论: 高等数学知识点: 当很大时,有,此时,则; 当很小时,有,此时,,则。 进一步讨论,可以得到弥散关系的不同具体形式: ①当时,(即,)(深水波): ②当时,(即,)(浅水波): 第四节微幅波的运动和动力特性 1、水质点运动速度和加速度 2、水质点运动轨迹 假定水质点(,),水平位移,垂直位移,有: , 在处分别对两个式子做泰勒展开,得到: ,,利用三角关系,得轨迹方程: 轨迹为一封闭椭圆。 进一步讨论有: (1)自由表面边界条件 (2)底部边界条件 (3)a,b随水深变化 (4)深水情况下: 则,水质点轨迹为一个圆,随水深加深,半径越小。 (5)浅水情况下: 则,,长轴a为定值,b随水深变深而减小,呈线性变化。 3、微幅波的压力场 由以及,可以推出: P的表达式由两项构成,左边一项为静水压强,右边一项为动水压强。 压力分析图见书本P39。 *公式运用: ①求解: ,为动水压强,为压力影响系数。 测得h、T,用试算法由弥散关系计算出L,然后,则可得。 ②由、、推求、: 直接写出、两个表达式组成方程组,有: 两式相加即可得h,两式相减即可得H。 4、波能 波能分为动能和势能: (1)、一个波长范围内,单宽波峰线长度的势能: (2)、一个波长范围内,单宽波峰线长度的动能: (3)、一个波长范围内,总的波能: (4)、平均波能: (5)、波能流(或波功率): (,,) 称为波能传递率,称为波形传播速度。 深水情况下: ,则有; 浅水情况下: ,则有。 5、波群和波群速度 假定有两列波,分别写出其波面方程: 则① ②波群速度: 由弥散关系式,可得: 第五节立波/驻波 1、波面(图示见教材P43) 波节位置处,,所以有; 波腹位置处,。 2、运动速度 ,则: 在波节位置上,,所以达到最大; 在波腹位置上,,所以达到最大。 3、能量 当时,则,此时动能处处为零,势能达到最大; 当时,有,则,有,此时无势能,动能达到最大。 由此得到重要结论: 立波是一种周期性的转化,是动能和势能互相转化的过程。 4、运动轨迹 ,为一直线。 5、不完全立波(部分立波)(图示见书本P43) 第六节非线性波理论(不记公式) 深水中,波浪最主要的影响因素是: (波陡) 浅水中,波浪最主要的影响因素是: (相对波高) 过渡水深中: 厄塞尔数 1、有限振幅斯托克斯波理论 ①摄动法: ②二阶解: (1)速度势函数 (2) 【左边推倒: 微幅波中 】 (3)波面 斯托克斯波波形与微幅波波形对比图示见书本P47 不难发现: 斯托克斯波的波峰和波谷相比微幅波均往上提高了。 (4)水质点的运动速度 图像见书本P48 (5)运动轨迹(图像见书本P49) 这种净水平位移造成一种水平流动,称为漂流或质量输移。 漂流速度: (6)波能(势能,动能不相等) 当很小时,势能>动能 当很大时,动能>势能 由于非线性因素的影响,Stokes波作用在建筑物上的压力大于微幅波。 (7)Stokes波理论在时才适用。 2、椭圆余弦波理论(图形见书本P50) 采用雅可比椭圆余弦函数来描述,适用于波浪破碎之后波浪的传播。 *章节小结: 1、深水情况时: 波陡小时采用微幅波理论; 波陡大时采用二阶形式Stokes波理论。 2、过渡水深情况时: 各种理论均可使用,视具体情况而定。 3、浅水情况时: 采椭圆余弦波理论或者孤立波理论。 第二章波浪的传播、变形和破碎 第一节深水波浪特性 波浪具有随机性 1、统计分析 (1)上跨零点法(下跨零点法)(图示见书本P54) (2)按部分大波平均值定义的特征波高: ,,(有效波高),(均方根波高) (3)按超值累计概率定义的特征波高: ,, 对比瑞利分布,有: ,, 2、谱分析(P58) 顿谱、能谱、波能密度表达式: 3、波浪在深水中的弥散 第二节波浪在浅水中的变化 1、波浪守恒(前提: 稳定的波浪场) 波面方程,其中相位函数,所以有: 表征着稳定的波浪场,表征着稳定不变。 2、波浪的浅水变形 ,当波浪垂直入射时,有,所以有: 定义浅水变形系数,则 *计算问题: 已知、、的情况下推求 用浅水变形系数表达式计算(),有、、三个量未知待求,则: ①直接可求,采用弥散方程; ②可间接求得,先采用弥散关系推求出(),再由即可求得; ③可由方程计算得到,其中 3、波浪的折射(P71) 斯奈尔定律: 由,可以将波高的表达式写为: 其中为浅水变形系数,为折射系数: 由此可以很好地解释辐聚与辐散现象。 辐聚处为冲刷,辐散处为淤积。 4、波浪反射 反射系数 5、波浪绕射 绕射系数 6、波浪破碎 (1)极限条件 波峰上的水质点的运动速度=波速 (2)极限波陡 (3)破碎指标 破碎指标 孤立波时,;Stokes波时,。 (4)破波角 (5)破碎波类型 ①崩破波: 海滩坡度较缓,深水波陡较大; ②卷破波: 海滩坡度陡一些,深水坡陡中等; ③激破波: 海滩坡度较陡,深水坡陡较小。 第三章近岸波浪流 第一节水流概述 1、潮流 2、大洋环流(物理海洋) 3、近岸波浪流 近岸波浪流包括①向岸流②沿岸流③离岸流(裂流) 研究近岸波浪流的方法主要有①力的平衡②水体的平衡 第二节辐射应力 1、动量流 时均情况下: 则动量流表达式以及时均动量流表达式可以写成: 2、辐射应力 总的动量流 辐射应力定义: 总动量流的时均值减去没有波动时候的静水压力(即剩余的动量流) 定义表达式: : 第一个下角标表示辐射应力作用面的法线方向,第二个下角标表示力的作用方向。 *计算表达式: (1)波浪传播方向与轴重合: ① ② (2)波浪传播方向与轴重合: (3)循环播方向与轴成角: (
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- 海岸 动力学