海洋工程環(huán)境學(xué)新03.學(xué)

1、1海洋工程環(huán)境學(xué)Environmental Mechanics of Ocean Engineering2復(fù)習(xí) 海洋環(huán)境與結(jié)構(gòu)物的相互作用 3 大規(guī)模風(fēng)系：30.2 海洋環(huán)境因素分析中規(guī)模風(fēng)系：40.2 海洋環(huán)境因素分析全球洋流分布圖5第三節(jié)海洋環(huán)境因素分析波浪61. 海洋環(huán)境因素分析-波浪 波浪運(yùn)動(dòng)是指海洋水表面在外界因素(風(fēng))作用下以及在重力作用下的運(yùn)動(dòng)。 波浪運(yùn)動(dòng)是隨機(jī)的，但是，并非雜亂無(wú)章，有其“內(nèi)在規(guī)律”，或者說(shuō)，規(guī)律寓于大量的不確定的變化之中。 表征隨機(jī)現(xiàn)象的變量為隨機(jī)變量，不能以確定性的數(shù)字標(biāo)定，只能以統(tǒng)計(jì)平均或概率的數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)描述。應(yīng)用隨機(jī)過(guò)程和概率論的數(shù)學(xué)方法，討論波浪運(yùn)動(dòng)的

2、規(guī)律，尋求波浪運(yùn)動(dòng)的數(shù)字特征，用以區(qū)別不同類型的隨機(jī)波浪運(yùn)動(dòng)。 規(guī)則波 隨機(jī)波7波浪運(yùn)動(dòng)的分類1. 海洋環(huán)境因素分析-波浪 8波浪運(yùn)動(dòng)的分類 表面張力波： H=12mm, T=0.1s 風(fēng)生波：H=25m (H/L=0.03-0.05) (37m), 0.130s 涌浪：P=1030s，H/L=0.010.02 海嘯波：(24m) 風(fēng)暴波：孤立波，持續(xù)幾到幾十個(gè)小時(shí) 假潮：發(fā)生在河灣，湖泊與港灣 潮汐：周期為12.42小時(shí)(太陰半日潮)，12.00小時(shí)(太陽(yáng)半日潮) 內(nèi)波：發(fā)生在不同密度的分界面上。1. 海洋環(huán)境因素分析-波浪 9波浪運(yùn)動(dòng)的成因1. 海洋環(huán)境因素分析計(jì)算 在風(fēng)的作用下，海浪自風(fēng)

3、取得能量又受內(nèi)、外部阻力的作用，若海浪損失的能量小于取得的能量，海浪處于發(fā)展階段，海面波動(dòng)隨時(shí)間變劇，反之，海浪逐漸減小。1. 海洋環(huán)境因素分析-波浪 10波浪運(yùn)動(dòng)的成因1. 海洋環(huán)境因素分析計(jì)算 1. 海洋環(huán)境因素分析-波浪 11風(fēng)速15m/s，波浪成長(zhǎng)與風(fēng)時(shí)、風(fēng)區(qū)的關(guān)系。1. 海洋環(huán)境因素分析計(jì)算 1. 海洋環(huán)境因素分析-波浪 1290.1 海洋環(huán)境因素分析沒(méi)有其它資料時(shí)，可近似認(rèn)為 浪級(jí)風(fēng)級(jí)-11390.1 海洋環(huán)境因素分析14波浪運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)性右圖是根據(jù)從兩架飛機(jī)上拍攝的海面立體照片而繪制的兩張海面等高線實(shí)例?？梢钥闯觯ɡ说奶卣髟跁r(shí)間、空間的變化都非常復(fù)雜的。上述兩張圖是從連續(xù)拍攝的照

4、片中選出的等高線圖，雖然看上去極不相同，但在統(tǒng)計(jì)上卻可以認(rèn)為它們是表示大致相同的海面狀態(tài)的兩個(gè)樣本。1.2 波浪運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特征15長(zhǎng)期分布和短期分布在討論海浪外觀特征中常常用到統(tǒng)計(jì)分析和概率分布的名詞，二者是有區(qū)別的。統(tǒng)計(jì)分析是以實(shí)測(cè)資料為依據(jù)，對(duì)觀測(cè)的海浪要素作出直方圖或累積頻率曲線，并以經(jīng)驗(yàn)方法外推概率曲線來(lái)預(yù)估未來(lái)可能發(fā)生的事件。概率分布則是在理論的海浪模型基礎(chǔ)上，以概率論為工具，推導(dǎo)分析各種不同事件的出現(xiàn)概率。多年海浪的概率分布屬于長(zhǎng)期分布，本節(jié)主要討論海浪的短期分布規(guī)律。所謂短期是指海浪過(guò)程的一個(gè)完整的樣本，若樣本中包含有數(shù)百個(gè)大小起伏的波浪，時(shí)段長(zhǎng)度為1030分鐘，則該樣本基本上反

5、映了隨機(jī)海浪總體的概率特性。1.2 波浪運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特征16單個(gè)波浪的特征描述 波高 H： 波峰到相鄰部分波谷的垂直空間距離； 過(guò)零周期 Tz： 上過(guò)零點(diǎn)到相鄰上過(guò)零點(diǎn)的水平時(shí)間距離； 波面瞬時(shí)升高 (t)： 在時(shí)間軸上 t 時(shí)刻的波面垂直空間距離； 波向：波浪傳播運(yùn)動(dòng)的主方向。1.2 波浪運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特征17采樣： 波高 H 和周期 TZ：通常的海洋觀測(cè)資料中，波浪的觀測(cè)時(shí)間為每隔3小時(shí)一次，每次10-20分鐘，最少記錄單波100個(gè)。 i = 1,2,N; 1.2 波浪運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特征18采樣樣本實(shí)例： 波高 H 和周期 TZ：1.2 波浪運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特征19統(tǒng)計(jì)特征一平均值：表示波動(dòng)的算術(shù)平均水平

6、。1.2 波浪運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特征20統(tǒng)計(jì)特征二均方根值： 均方根波高和均方根周期：表示波動(dòng)的能量平均水平。1.2 波浪運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特征21統(tǒng)計(jì)特征三有義值：H*j 為Hi 的有序排列，自最大端向前取總數(shù)的三分之一的波高。表示波動(dòng)的可視平均水平。1.2 波浪運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特征22對(duì)例子中的波浪觀測(cè)數(shù)據(jù)有：1.2 波浪運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)特征有義值：23海浪模型為了從理論上描述隨機(jī)海浪的特性，在實(shí)測(cè)資料的基礎(chǔ)上，不少學(xué)者建立了海浪模型。目前應(yīng)用較多的是Longuet-Higgins提出的一種海浪模型，按該模型的假定，海上某一固定點(diǎn)的波動(dòng)是由許多位相不同，振幅也不同的余弦波疊加而得的。如下圖。其中 為第n個(gè)余弦組成波的

7、振幅， 為其圓頻率； 為其隨機(jī)相位。1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)特征241.3 典型海況波浪的隨機(jī)特征1) 波動(dòng)過(guò)程關(guān)于靜止水面基本對(duì)稱，上波峰大致等于下波峰，或波高等于2倍上波峰或下波峰。 波浪運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)特征1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)特征252) 波動(dòng)的周期亦呈隨機(jī)性，但是大體上等于平均周期。這樣， 可以認(rèn)為波動(dòng)的能量高度集中于某一個(gè)頻率，即所謂窄帶過(guò)程，其能量譜為窄譜 (線譜)。3) 在波動(dòng)的一個(gè)周期中只有一峰一谷。 4) 瞬時(shí)值關(guān)于時(shí)間的平均值近似為零 靜止水面 (自由表面)。1.3 波浪運(yùn)動(dòng)的隨機(jī)特征265) 隨機(jī)變量總體關(guān)于時(shí)間的平均值大體上同時(shí)間無(wú)關(guān)，亦同子樣無(wú)關(guān)。以波高為例：1.3 波浪運(yùn)

8、動(dòng)的隨機(jī)特征 具有上述物理與數(shù)學(xué)特征的隨機(jī)過(guò)程，在數(shù)學(xué)上稱作為： 平穩(wěn)的各態(tài)歷經(jīng)的隨機(jī)過(guò)程。27 波浪運(yùn)動(dòng)的概率密度函數(shù)1.4 波高的概率特征以Longuet-Higgins海浪模型為依據(jù)，波面具有高斯正態(tài)分布的概率密度函數(shù)其中 為方差，以此式為依據(jù)可導(dǎo)得波面極值，波高及波浪周期的概率分布。28在海浪研究中，大都是假定概率密度分布為高斯分布，根據(jù)Kinsman(1960)的觀測(cè)，實(shí)際海浪的波面高度的概率密度分布與高斯分布十分接近，如圖所示。當(dāng)然，嚴(yán)格地講它不是正態(tài)分布(高期分布)，更接近于偏態(tài)的Gram-Charliter分布。但是，一般海浪的研究中，仍假定它是正態(tài)分布的。大量工程應(yīng)用證明了該法的有效性。1.4 波高的概率特征29 波浪運(yùn)動(dòng)的概率密度函數(shù) 若波浪是窄帶的平穩(wěn)的各態(tài)歷經(jīng)的隨機(jī)過(guò)程，波高的概率密度函數(shù)為瑞利函數(shù):1.4 波高的概率特征30 對(duì)波高的概率密度函數(shù)進(jìn)行積分得到波高的累計(jì)概率分布函數(shù)為:1.4 波高的概率特征313. 特征波高 利用平穩(wěn)的各態(tài)歷經(jīng)的隨機(jī)過(guò)程的概率密度函數(shù)可以確定各種特征波高。1) 零波高波高為零的事件的概率密度或累計(jì)概率等于零。海面永不平靜。1.4 波高的概率特征322) 擁有最大概率密度的波高1.4 波高