4-2海洋工程环境 波浪解析
地理波浪知识点总结
地理波浪知识点总结一、波浪的定义与形成1. 波浪是海洋中的海浪、湖波、江河波等的统称，是水体表面上由于风力、重力、海底地形和潮汐引起的周期性的振动运动。
波浪是海洋、湖泊和江河中的一种波动现象，是水体受到风力或其他外力作用而在水面上产生的波动。
2. 波浪的形成海浪是水体在风的作用下发生波动的现象。
风吹到海面上，对海水的氧气起风暴和地球的自转等各种因素的影响下，产生了激波。
波浪特性主要和由风的强度、随时间的变化和持续时间以及风的走向等因素有关。
二、波浪的分类1. 按照波形特征分类(1) 常规波：呈椭圆形，又称正规波。
(2) 摇摆波：酷似网球(3) 卷书波：严重时呈旋转形状，与岸边作接触时可形成旋转的水流绕至(4) 无规波：随机出现。
2. 按照产生的原因分类(1) 壳湾波：大陆斜坡潦峰致异步片。
(2) 捲浪：风和重力合成。
(3) 开浪：法国大浪，马牙湾波，惠浪琳顿波时浪。
3. 按照形成的地理位置分类(1) 海浪：波在海洋中产生的波浪(2) 湖波：波在湖泊中产生的波浪(3) 河波：波在江河中产生的波浪三、波浪的特征1. 波高：指波峰到波谷的垂直距离，单位为米。
2. 波长：指波峰到波峰或波谷到波谷的水平距离，单位为米。
3. 波速：指波峰的传播速度，单位为米/秒。
4. 波频：单位时间内波峰或波谷通过一点的次数。
5. 波形：指波在移动过程中的形状。
6. 波幅：指波峰的最大高度，单位为米。
7. 波能：波浪嵩度对于海岸线越有影响8. 波周期：单位波的周期四、海洋波浪的产生1. 风是产生海洋波浪的主要原因。
风吹过水面时，由于摩擦力使水分子发生微小波动，形成涟漪。
2. 风是产生海洋波浪的主要动力，强风、大风和飓风是产生大浪的主要原因。
3. 风速越大，持续时间越长，波浪的高度就越大，波长也越长，波速也越快。
五、地理波浪的影响1. 对海岸线的影响：波浪是海岸侵蚀和沙丘形成的主要原因之一。
2. 对船只的影响：强风大浪是船只行驶的最大障碍之一，也是出海渔船的大敌。
海洋工程环境 4-5海洋工程环境
原点于桩柱中心轴与ox轴交点。
6
• Morison方程
F Fd Fi
Fd为速度力。 Fi为惯性力。
dz长度上所受波浪力：
dF
dFd
dFi
Cd
1 2
u
u
A CmVu
式中：u波浪水质点水平速度分量，
u 波浪水质点 水平加速度分量。
A D dz 为dz长圆柱迎流面积。
V D2 dz 为dz尺度圆柱排水体积。
3
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4.4 .4. 波浪破碎、反射和绕射
波浪破碎：波陡H/较高 波峰水质点速度≥波速
深水：Stokes 波 极限波陡(H/)max=0.142 浅水：极限波陡(H/)max=0.142tanhkh
极限波高(H/h)max=0.78 波浪破碎对海岸工程有很大冲击力和破坏性
反射：遇到岸壁或障碍物，部分反射或全反射（驻波）
海洋工程环境
1
4.4 .2. 波浪折射
波浪传至浅海近岸时，波速减小，引起波向变化
C2 sin 2 C1 sin 1
深水 浅水
h1 > h2
c1 > c2
1 > 2
波向趋向与等深线垂直，波峰线趋向与等深线平行
在浅水区波向线辐聚（海岬）， 波高会因折射增大；
在浅水区波向线辐散（海湾），波高会因折射减小 2
图5－22，5－23，5-24
圆柱表5－10，非圆截面表5－11 14
K 5 K 25 5 K 25
震荡流
惯性力为主要成分
准均匀流
阻力为主要成分
中间流
惯性力与阻力为成分相当
15
D 0.2 大尺度构件 绕射理论
形容波浪的形状
形容波浪的形状摘要：一、波浪的形状描述1.波浪的基本形态2.波峰与波谷的特征3.波浪的起伏变化二、不同类型波浪的形状特点1.海洋波浪2.海岸波浪3.浅水波浪三、波浪形状与气候、海洋环境的关系1.季节性波浪2.风暴波浪3.潮汐波浪四、波浪形状在实际应用中的意义1.海洋工程设计2.海上交通与安全3.海洋能源开发正文：波浪是海洋中的一种常见现象，其形状丰富多样，具有很高的观赏性和科学研究价值。
本文将对波浪的形状进行详细描述，并探讨不同类型波浪的形状特点以及波浪形状与气候、海洋环境的关系。
一、波浪的形状描述波浪是由风、海底地形、潮汐等因素共同作用形成的。
波浪的基本形态包括波峰、波谷、波腹和波肩。
波峰是波浪的最高点，波谷则是最低点，两者之间的距离被称为波长。
波腹是波浪的平衡位置，波肩则是波峰和波谷两侧的曲线部分。
二、不同类型波浪的形状特点1.海洋波浪：海洋波浪主要受风的影响，其形状通常呈现出较长的波长和较缓的波幅。
在开阔海域，波浪可能呈现出整齐的排列，而在靠近海岸的地方，波浪则会因为地形的影响而变得破碎。
2.海岸波浪：受到海底地形的影响，海岸波浪的形状通常更加陡峭，波长较短，波幅较大。
在岩石海岸，波浪可能呈现出破碎的形态；在沙滩海岸，波浪则可能呈现出缓和的曲线。
3.浅水波浪：在浅水区，波浪受到水深的影响，波长缩短，波幅变大，形状变得更为陡峭。
浅水波浪通常呈现出“破浪”现象，即波峰和波谷之间的距离变短，波浪变得更为尖锐。
三、波浪形状与气候、海洋环境的关系1.季节性波浪：在特定季节，如冬季，受到寒潮和东北季风的影响，我国沿海地区可能出现较大的波浪。
而在夏季，受到台风和南海热带气旋的影响，波浪可能呈现出剧烈的变化。
2.风暴波浪：在强风和恶劣天气条件下，波浪形状会发生显著变化，可能呈现出极高的波峰和波谷，给海上交通和工程带来严重威胁。
3.潮汐波浪：潮汐的涨落会影响波浪的形状，尤其是在河口和海湾地区，潮汐波浪可能呈现出周期性的变化。
海洋工程环境波浪
Hmax 0.706( H 1/3
ln N 2
) 1.07
ln N
lg10 N
欧拉常数＝0.5772
《海上固定平台入级与建造规范》： 东海、南海的可能最大波高：
Hmax 2.0H1/3 (相应波数N 2000)
黄海、渤海的可能最大波高：
Hmax (1.53 ~ 2.0)H1/3 (相应波数N 100 ~ 2000)
• 风浪波向与风向一致 • 观测内容：波高、波长、周期、波速、波型、波向、
海况 • 观测形式：目测（白天）；仪器（波高、周期、波向） • 观测时间，每隔3小时一次：2，5，8，11，14，17，
20，23时 • 每次一般17～20min，连续记录单波个数不少于100个，
同时测风速、风向和水深 • 海浪玫瑰图：一定时期的波向、波高大小和出现频率，
H
1 N
N
Hi
i1
加权平均波高
H N Hini i1 N
ni为Hi的对应记录次数
Ki
N ni i1
不规则波海浪要素：统计特征
设有一系列观测波高，将其按由大到小排列， 有义波高： 其中最高的前N/3部分求平均，称之为1/3大波
平均波高，又称之为有效波高。
N
HS
H1 3
3 N
3
Hi
j 1
fX (x)
F
HF
H
不规则波海浪要素：统计特征 最大波高Hmax： 记录中的最大波高值,或重现期为50年或100年
的最大波高值。
最大周期Thmax: 对应最大波高的周期 。
•各种特征波都用于描述海面波动情况 •我国以十分之一大波将海浪分为10个等级 ，P91表5－3
深水波特征波高换算
海洋工程环境 4-1波浪
➢实验模拟:多次重复实验并分析 只能对部分波浪进行模拟
海浪要素
规则波：正弦或余弦的简谐波动
➢ 波形：海上的波浪大多成列前进，称为波动，并有不同的 波形 。理想化处理的规则波
➢ 波峰与波谷：波动的最高点称为 波峰 ，最低点称为 波谷 。
➢ 波高 H：波峰到波谷的高度称为 波高 。代表海浪能量 ➢ 振幅a：H/2 ➢ 波长λ：相邻的两个波峰(或 波谷 )间的距离称为 波长 。 ➢ 周期 T：一个波长的波通过一特定点所需要的时间称为 周
期。
➢ 波速C：波浪的传播速度 C=λ/T
➢ 圆频率 ： =2/T ➢ 波数 k ： k = 2/λ
《海洋工程环境》
第4章 海洋波浪
4.1 海洋波动
• 波浪运动是指海洋水表面在外界因素(风、天体引潮力、地震 等)作用下以及重力作用下的运动。
• 各种海洋波动：图5－1
➢毛细波：周期最小，能量很小，设计时不考虑。 ➢重力波：风作用引起，在重力这个恢复力的作用下做 垂直振荡。据观测T＝1～30s的海浪占海浪的大部分。 ➢周期大于5min的长周期波：主要是风暴及天体引潮力 引起的潮波，这些波带来的水位变化影响结构物的设计 高程
4.1 海洋波动
• 从结构物的结构强度、使用年限、建造成本出发，需考虑
➢所处海域的海浪的最大尺度 ➢海浪的方向特征 ➢出现频率 ➢季节特点
4.1.1海浪概述
风力是主要起因，一般分为：
•风浪：风直接驱动产生。 ➢方向与风向同。 ➢浪高、周期等与风速、作用风区范围等呈复杂的非线性关系。 ➢波形杂乱，时间上和空间上均呈随机变化
《海洋工程波浪力学》课程教学大纲
本科生课程大纲课程属性：公共基础/通识教育/学科基础/专业知识/工作技能，课程性质：必修、选修一、课程介绍1.课程描述海洋工程波浪力学，是研究波浪及波浪对海洋工程结构物的作用力的分析和计算方法的一门科学。
本课程针对船舶与海洋工程专业三年级学生进行开设，主要学习线性波浪理论、非线性波浪理论、随机波浪理论以及波浪的作用力计算等。
通过课程学习，要求学生掌握线性波浪理论及小尺度结构物波浪力的计算方法，能够利用这些理论及方法对实际问题进行建模、分析和求解，进而提升对波浪力学的理解。
2.设计思路本课程以波浪理论和波浪力计算为主线，结合工程实际问题进行多媒体授课，为海洋平台结构等课程设计提供基础训练。
课程内容主要包括三个模块：确定性波浪理论、随机波浪理论、波浪力计算，这三方面密切联系、前后呼应。
确定性波浪理论部分主要包括线性波浪理论和非线性波浪理论，其中线性波浪理论是学习基础，要求全面重点掌握深水波、有限水深和浅水波浪的基本特性，在此基础上，了解常见的非线性波浪理论的特性，进而掌握波浪理论的适用范围。
随机波浪理论主要从随机过程角度描述波浪的特性，重点掌握随机波的时域特性- 1 -和频域特性，从而为海洋工程结构动力分析提供基础。
波浪力的计算部分主要包括小尺度和大尺度结构波浪力计算。
要求全面掌握小尺度结构物波浪力计算方法（莫里森公式），在此基础上，理解大尺度波浪力计算的基本原理。
3. 课程与其他课程的关系先修课程：理论力学、流体力学。
本课程是工科力学类课程的重要组成部分，是海洋工程类专业流体类课程群的重要组成部分，与流体力学、海洋工程环境等课程构成了船舶与海洋工程专业工程环境课程群。
二、课程目标本课程的任务是通过各种教学环节，使学生掌握波浪的基本知识、原理和波浪对海洋工程结构物作用力的计算方法，最终使学生对海洋工程中的波浪力学问题有一定的了解，以助于从事海洋工程的规划、设计、建造和研究工作。
（1）了解非线性波浪理论、波浪的传播与变形以及大尺度结构物波浪力的计算；（2）掌握线性波浪力学、小尺度结构波浪力的计算以及随机波浪理论相关知识；（3）培养学生运用波浪理论和波浪力计算方法进行一些基本计算的能力，为课程设计、毕业设计及科学研究提供基础。
波浪理论以及工程应用
波浪理论以及工程应用什么是波浪理论？在海洋、湖泊等自然水域中，经常会出现波浪的现象。
波浪是指水面的起伏，并在水面上向外传播的现象。
波浪理论就是研究这种波浪现象的学科。
波浪的形成与传播需要满足一定的条件。
当水体受到外力的作用时，水面会出现起伏，从而形成波浪。
波浪的传播则与波长、波速等因素有关。
在波浪传播的过程中，波浪的形态会随着水深的变化而发生变化。
波浪理论的应用波浪理论在工程上有着广泛的应用。
下面我们来看几个例子。
1. 港口工程港口工程中，波浪对于港口的安全性和船只的靠泊都有着很大的影响。
因此，港口工程中需要对波浪进行精确的预测与计算，以确保港口的结构和设备能够承受来自波浪的冲击。
2. 海洋工程海洋工程中，波浪对于海上结构的稳定性和设备的使用有着很大的影响。
有些海洋工程需要直接面对风浪，如海上风力发电机和石油平台等。
因此，对波浪的预测和计算也是海洋工程中必不可少的一环。
3. 建筑工程建筑工程中，波浪对于桥梁、堤坝等结构的安全性和稳定性也有着很大的影响。
波浪的计算和预测可以为建筑工程提供重要的指导和依据。
波浪工程实例下面我们来看一个具体的波浪工程实例：海塘工程。
海塘是一个抵御海浪冲击和防护沿海环境的重要建筑物。
对于海塘的设计和施工，需要根据波浪的预测结果，确定海塘的高度、宽度等参数。
海塘的设计需要考虑海浪的影响，如波高、波长、波浪能量等，以及海塘的形状和地形等因素。
设计阶段需要对海岸线进行测量和分析，得到海岸线的形状和波浪的传播方向等信息，同时还需要对波浪的数据进行振动谱分析和波浪频谱分析等。
在施工阶段，需要按照设计图纸进行施工，检查海塘的高度、宽度等参数是否满足要求，以及海塘的强度和稳定性是否符合标准。
同时还需要对波浪进行监测和记录，以便后续维护和调整。
波浪理论是海洋、湖泊等自然水域中波浪现象的研究学科，其应用非常广泛，包括港口工程、海洋工程和建筑工程等领域。
波浪工程实例海塘工程也向我们展示了如何进行波浪的预测、计算和监测，以确保工程的安全和稳定性。
海洋工程环境 4-2波浪
H N Hini i1 N
ni为Hi的对应记录次数
Ki
N ni i1
设有一系列观测波高，将其按由大到小排列， • 有义波高：其中最高的前N/3部分求平均，称之为1/3大波
平均波高，又称之为有效波高。
N
HS
H1 3
3 N
3
Hi
j 1
表示波动的可视平均水平。
有义周期：对应前N/3个波浪周期 取平均值。
设有1000个波高，将其按由大到小排列，若第 10个（F=10/1000=1%）最大波高为5m，则称累 积率1%的波高为5m,记做
H1% 5m
• 最大波高Hmax：记录中的最大波高值或重现期为50年或100年 的最大波高值。
• 最大周期THmax 对应最大波高的周期 。
•各种特征波都用于描述海面波动情况 •我国以十分之一大波将海浪分为10个等级 ，P91表5－3
• 1/10大波波高： 设有一系列观测波高，将其按由大到小排列， 其中最高的N/10部分求平均，亦称显著波高。
N
H1 10
10 N
10
Hi
j 1
1/10大波周期：对应前N/10个波浪周期 取平均值。
• 累积率波高HF：累积率F对应的波高。
大于等于HF 的波高值的出现概率为F
F n N
n为波高值大于等于HF 的出现次数。
(2) 平均波高 H 与部分大波平均波高H1/n的换算 ： H1/n 2 ln n n(1 erf ln n)
H
误差函数 表5－2，相应的各部分大波平均波高可相互换算
(3) 根据以上两式，得到
累积率波高与部分大波平均波高H1/n的换算
(4) 最大波高为随机变量，当N很大时 ：
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TH1/3 (1.12 ~1.14)T
Example 4.3
A 2.2m B 2.6m C 2.18m D 1.83m E 2.0m
A 2.35m B 1.85m C 2.80m D 1.88m
4.1.3 海浪观测、预报
• 风浪波向与风向一致 • 观测内容：波高、波长、周期、波速、波型、波向、 海况 • 观测形式：目测（白天）；仪器（波高、周期、波向） • 观测时间，每隔3小时一次：2，5，8，11，14，17， 20，23时 • 每次一般17～20min，连续记录单波个数不少于100个， 同时测风速、风向和水深 • 海浪玫瑰图：一定时期的波向、波高大小和出现频率， 图5－4
1 H N
加权平均波高
H
i 1
N
i
H i ni H i 1 N N ni
i 1 Ki
N
ni为Hi的对应记录次数
不规则波海浪要素：统计特征
有义波高： 设有一系列观测波高，将其按由大到小排列， 其中最高的前N/3部分求平均，称之为1/3大波 平均波高，又称之为有效波高。
N 3
H S H1 3
3 Hi N j 1
表示波动的可视平均水平，与目测波高值相近。 有义周期：对应前N/3个波浪周期 取平均值。
不规则波海浪要素：统计特征
1/10大波波高：
设有一系列观测波高，将其按由大到小排列，
其中最高的N/10部分求平均，亦称显著波高。
N 10
H1 10
10 Hi N j 1
1/10大波周期：对应前N/10个波浪周期 取平均值。
中国近海海浪特征
• 大陆季节性气候的影响，海浪表现出季节性。 • 浪向取决于风向，冬季偏北浪，夏季偏南浪，春秋浪 向不稳定 • 冬春多出现寒潮、温带气旋，夏秋多出现台风和热带 风暴 • 浪高季节性变化。冬季风速>夏季，冬季平均浪高>夏 季，冬季风浪周期>夏季 • 南方平均浪高>北方，南海出现大浪次数最多 • 冬季：渤海最大波高达7m，黄海9m，东海11m，南海 10m • 各地波浪平均周期4～6s
《海上固定平台入级与建造规范》： 东海、南海的可能最大波高：
Hmax 2.0H1/3 (相应波数N 2000)
黄海、渤海的可能最大波高：
Hmax (1.53 ~ 2.0) H1/3 (相应波数N 100 ~ 2000)
合田推荐的最大波高：
Hmax (1.6 ~ 2.0) H1/3
深水波特征波高换算
• 复杂海浪由很多简谐波叠加而成，波面方程：
(t) n an (nt Байду номын сангаас n )
n 1 n 1
• 波高服从瑞利（Rayleigh）分布，其概率密度函数：
f (H)
H
exp[ ] 2H 4H
2
H
2
深水波特征波高换算
不规则波海浪要素：统计特征 波剖面：随时间变化的波动过程曲线 横轴代表时间t，称为零线 上跨零点：向上与零线的交点 下跨零点：向下与零线的交点
波峰： 相邻上下跨零点之间的曲线最高点； 波谷：相邻上下跨零点之间的曲线最低点；
不规则波海浪要素：统计特征
周期 Ti： 相邻上跨零点（或下跨零点）之间的时间间隔； 平均周期: 所有周期的平均值
• 利用海浪要素分布函数， 了解一个波系中波高和周期的分 布关系，进而换算各种特征值
• 服从瑞利（Rayleigh）分布的深水波特征波高的换算关系
(1) 平均波高 H 与累积率波高HF 的换算 ：
HF 4 1 ln( ) H F
表5－1，相应的各累积率波高HF 可相互换算 H1% Example 4.1 ? H 50%
不规则波海浪要素：统计特征
累积率波高HF： 累积率F对应的波高。 大于等于HF 的波高值的出现概率为F
n F N
n为波高值大于等于HF 的出现次数。 设有1000个波高，将其按由大到小排列，若第 10个（F=10/1000=1%）最大波高为5m，则称 累积率1%的波高为5m,记做 H1% 5m
A 1.24 B 2.57
(2) 平均波高 H 与部分大波平均波高H1/n的换算 ：
H 1/n 2 H
误差函数
ln n n(1 erf ln n )
表5－2，相应的各部分大波平均波高可相互换算
(3) 根据以上两式，得到 累积率波高与部分大波平均波高H1/n的换算
Example 4.2
海浪预报
• 综合分析海浪状况和影响因子绘制海浪预报图 • 确定风区、风时、风速等风场要素，利用风况资料推 测海浪 • 风区：风的状态达到相对稳定的海域，风速、风向大 致一致，边界处风速、风向有较明显改变 • 风时：风持续作用时间 • 风速标准值：海面上10m高风速值 • 风场要素推算深水风浪特征波高：公式5－11～5－18
H 1 10 H1 3
?
A 1.272
B 2.032
C 1.598
H1 10 H10%
?
A 1.272
B 1.0
C 1.188
(4) 最大波高为随机变量，当N很大时 ：
H max 0.706( ln N ) 1.07 lg10 N H 1/3 2 ln N
欧拉常数＝0.5772
海洋工程结构物多采用上述系数最大值
•浅水波波高分布复杂，多采用拟合对实测资料进行分析、表格 形式给出换算关系 •波长、周期：半经验半理论方法计算、海浪观测记录统计 •各特征周期和各特征波高没有对应关系,最大波高的波其周期不 一定最大 •各特征周期没有统一换算公式 合田推荐： THmax TH1/10 TH1/3 (1.1~1.3)T 我国经验公式
反映某给定波高值在波列中的出现概率
f X ( x)
F
HF
H
不规则波海浪要素：统计特征
最大波高Hmax： 记录中的最大波高值,或重现期为50年或100年 的最大波高值。
最大周期Thmax:
对应最大波高的周期 。
•各种特征波都用于描述海面波动情况
•我国以十分之一大波将海浪分为10个等级 ，P91表5－3
1 T N
T
i 1
N
i
波高 Hi：相邻上跨零点之间的波峰顶与波谷底的垂直距离； 波长λi：相邻上（下）跨零点之间的水平距离。
不规则波海浪要素：统计特征
波高 ：波高代表海浪能量，自由波动海面具有各种不同波高 不同定义的波高代表不同的波系特征，称为特征波波高 平均波高：连续观测的各个波高求平均值，反映波列总体大小