海洋工程环境学论文

大连理工大学海洋工程环境学论文

学生：宋子杰

学号： 201241013

班级：运船1201

院（系）：运载工程与力学学部

专业：船舶与海洋工程

2014 年 11 月 6日

波浪

摘要：波浪是海洋中最常见的现象之一，是船舶和海洋工程最重要的环境动力因素。本文旨在从波浪分类剖析波浪的性质。

关键词：波浪，分类，性质。

正文：

波浪的分类大致有以下五种分类方式：

一、按波浪所受干扰力和周期分类：

a)毛细波：所受干扰力为风，周期为0～0.1s。

b)超短重力波：所受干扰力为风，周期为0.1～1s。

c)重力波：所受干扰力为风，周期为1～30s，一般海浪皆为重力波。重力波又

可划分为风浪，涌浪，近岸浪。

i.风浪：风浪是在风直接作用下生成的海水波动现象。风越大，浪越高，

波浪的高度差不多和风的速度成正比，但风浪瞬息万变，波面粗糙，

周期比较短。

ii.涌浪：涌浪是在风停以后或风速风向突然变化，在原来的海区内剩余

的波浪，还有从别的海区传来的海浪。涌浪的外形圆滑规则，排列整

齐，周期比较长。

iii.近岸浪：风浪和涌浪传到海岸边的浅水地区变成近岸浪。在水深是波

长的一半时，海浪发生触底，波谷展宽变平，波峰发生倒卷破碎。

d)亚重力波：所受干扰力为风及海浪，表现形式为涌浪，周期为30s～5min。

e)长周期波：所受干扰力为风暴及地震，周期为5min～24h。

f)一般潮波：所受干扰力为日和月的引潮力，周期为12～24h。

g)变形潮波：所受干扰力为风暴、日和月的引潮力，周期大于24h。

二、按波浪形态分类：规则波；不规则波

三、按波浪传播海域水深分类：

a)深水波：h/L≥0.5；

b)有限水深波：0.5>h/L>0.05;

c)浅水波：h/L≤0.05。

四、按波浪运动形态分类：震荡波；推移波

五、按波浪破碎与否分类：

a)破碎波：

i.“崩波”型破碎波：波陡较大的波浪在海底平缓的地段形成的，消能缓

慢。

ii. “卷波”型破碎波

iii.

“激散波”型破碎波：波陡较小的波浪在海底坡度较大的地段形成的，消能迅速。

b) 未破碎波。 c) 破后波。

六、

按动力学与运动学的处理方法分类： a) 线性波：

基本方程：势波的水质点的水平分速u 和垂直分速w 可由速度势函数导出：

k

z

i x

V

??+

??=

?=???

x

u ??=

φ

z

w ??=

φ

不可压缩流体连续方程：0=??+??z w

x u

综上，势波运动的控制方程：02

222=??+??z

x φ

φ，即02=?φ。 边界条件：

1）、在波浪表面z=η，动力边界条件:由假设自由水面压力为常数并令p=0，根据 伯

诺里方程有：

02

122=+???

?

???????? ????+???? ????+??==ηφφφ

ηηg z x t

z z ；运动学条件：波表面上流体质点永远在波表面上。由随体导数运算：0=??-????+??z x x t φ

φηη

2）、水底条件：水底条件即是底部的物面条件，对等深h 情况，在z=-h 处垂向速度为零，有

0=??z

φ

3）、波场上、下两端面边界条件：),(),,(z ct x t z x -=φφ

将上述边界条件的非线性项略去，则得到线性波的基本方程及边界条件，综合可写为：02=?φ

h z z

-==??,0φ

0,1=??-=z t

g φ

η

),(),,(z ct x t z x -=φφ

0,02

2==??+??z z

g

t φ

φ 压力为：t

gz p ??--=φρ

ρ 任一点处水质点运动速度为：()[]

())cos(sinh cosh t kx kh h z k T H x u σπφ-+=??=

()[]

()

)sin(sinh sinh t kx kh h z k T H z w σπφ-+=??=

静止时位于()0,0y x ，水平迁移量为ξ，竖直迁移量为ζ，则有：

()[]()

()t kx kh h z k H dt z x u dt z x u t

t

σζξξ-+-

=≈

++=

?

?

00000

000

sin sinh cosh 2),(),( ()[]()

()t kx kh h z k H dt z x w dt z x w t

t

σζξζ-+=

≈

++=

?

?

00000

000

cos sinh sinh 2),(),( 水质点运动轨迹方程为：

()

()

12

2

02

2

0=-+

-b z z a x x

其中:()[]()kh h z k H a sinh cosh 20+-=,()[]()

kh h z k H b sinh sinh 20+=，由该式可知，当为深水时，质点的运动轨迹为圆形，运动半径随水深增加而成指数减小；当为有限水深时，质点运动轨迹为椭圆，在水面处b=H/2，在水底处w=0，质点做水平往复运动。

b) 非线性波：

当随着波陡的增加，线性波的计算误差足够大时，需要用非线性波理论求解问题。在之前的线性波计算时所忽略掉的非线性项加上后，可以用摄动法求解得到斯托克斯波的二阶解的势函数：()[]()()[]())(2sin sinh 2cosh 83)sin(sinh cosh 42t kx kh h z k L H kT H t kx kh h z k kT H σπσπφ-+???

? ??+-+= 及波面方程：()()()[]()

)(2cos sinh 22cos .

cosh 8cos 23t kx kh kh kh L H H t kx H σπση-+???? ??+-= 通过比较与线性波的不同，将不同点整理为以下3点：

1） 波形的不同：波峰处，波面抬高，因而变为尖陡；波谷处，波面抬高，因而变得平

坦。波峰波谷不再对称于静水面。随着波陡增大，峰谷不对称将加剧。 2） 波速的不同：正向(向岸)历时变短，波峰时水平速度增大；负向(离岸)历时增长，

波谷时水平速度减小。

3） 运动轨迹的不同：水质点的运动轨迹不封闭，水质点运动一个周期后有一净水平位

移。

四：结束语

波浪时时刻刻存在于海洋，对海洋结构物及船舶有着很大的影响，因此，研究波浪的意义重大。海浪又可以划分为多种类别，从多种类别中探究海浪的特性会有着意想不到的收获。海洋工程环境学这门课程对海上各种载荷进行了解析，为日后的工程作业打下了坚实的理论基础。

参考文献

[1]《海洋工程机构动力学》 .天津大学出版社

[2]《海洋工程环境》.上海交通大学出版社