vophilong76
New Member
Download miễn phí Giáo trình Sóng gió
MỤC LỤC
Trang
1 LỜI GIỚI THIỆU 1
1.1 Mục đích và nội dung của bài giảng 1
1.2 Sóng đại dương 1
1.3 Các định nghĩa cơbản 3
1.4 Sóng ngắn và sóng dài 5
2 CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠBẢN CỦA CƠHỌC CHẤT LỎNG 7
2.1 Các phương pháp mô tảdòng chảy của chất lỏng 7
2.2 Đạo hàm thời gian 7
2.3 Phương trình thểtích kiểm tra 7
2.4 Định luật bảo toàn vật chất và phương trình liên tục 10
2.5 Định luật bảo toàn động lượng và phương trình chuyển động 10
2.5.1 Phương trình chuyển động của Cauchy 11
2.5.2 Chuyển dịch, quay và vận tốc biến dạng 13
2.5.3 Mối liên hệgiữa vận tốc biến dạng và ứng suất – Phương trình Navier-Stokes 17
2.5.4 Chất lỏng lý tưởng 18
3 LÝ THUYẾT TUYẾN TÍNH VỀSÓNG BỀMẶT TRONG VÙNG NƯỚC CÓ
ĐỘSÂU KHÔNG ĐỔI 21
3.1 Các phương trình cơbản và điều kiện biên 21
3.1.1 Các giảthiết trong lý thuyết sóng tuyến tính 21
3.1.2 Điều kiện không nén được – Phương trình liên tục 22
3.1.3 Các phương trình động lượng 22
3.2 Lời giải giải tích của bài toán sóng trọng lực bềmặt 24
3.3 Mối liên hệphân tán của chuyển động sóng 29
3.4 Chuyển động của hạt nước và áp suất 30
3.5 Vận tốc nhóm và năng lượng sóng 34
3.6 Năng lượng của sóng phức hợp 38
4 NHỮNG LÝ THUYẾT SÓNG PHI TUYẾN CHO VÙNG NƯỚC CÓ ĐỘSÂU
KHÔNG ĐỔI 41
4.1 Giới thiệu chung 41
4.2 Lý thuyết Stokes 41
4.2.1 Mặt cắt bềmặt nước 42
4.2.2 Vận tốc và quỹ đạo hạt nước 45
4.2.3 Mối liên hệphân tán và vận tốc pha 46
4.2.4 Hàm lượng năng lượng và sựvận chuyển năng lượng 46
4.3 Lý thuyết Cnoidal 46
4.3.1 Mặt cắt bềmặt nước 48
4.3.2 Vận tốc và quỹ đạo hạt nước 48
4.3.3 Vận tốc pha 49
4.3.4 Hàm lượng năng lượng và sựvận chuyển năng lượng 49
4.4 Các lý thuyết sốtrị 49
4.5 Giới hạn áp dụng của các lý thuyết khác nhau 50
5 CÁC ĐẶC TRƯNG DO SÓNG GIÓ TẠO TA 52
5.1 Cơchếtạo sóng do gió 52
5.1.1 Profile vận tốc gió và ứng suất gió trên mặt biển khơi 52
5.1.2 Các lý thuyết và cơchếtạo sóng gió 53
5.1.3 Sóng gió và sóng lừng 57
5.2 Mô tảsóng gió 61
6 CÁC ĐẶC TRƯNG THỐNG KÊ CỦA SÓNG GIÓ 66
6.1 Các phương pháp thống kê dùng mô tảsóng ngẫu nhiên 66
6.1.1 Sóng mặt đại dương nhưlà một hàm thống kê 66
6.1.2 Các định nghĩa và khái niệm cơbản của phân tích chuỗi thời gian 69
6.1.3 Các cơsởcủa việc mô tảphổsóng đại dương 75
6.2 Mô tảsóng gió bằng phổ 76
6.2.1 Phổnăng lượng của sóng gió 76
6.2.2 Chiều rộng của phổvà dạng phổ 81
6.2.3 Các phổtần số điển hình 86
6.2.4 Các hàm phổhướng 93
6.3 Mô hình pha ngẫu nhiên 98
6.4 Xác định các đặc trưng phổcủa sóng đại dương từcác ghi chép sóng
ngoài hiện trường 110
7CÁC QUÁ TRÌNH SÓNG VEN BỜ 110
7.1 Suy giảm sóng do ma sát đáy 110
7.2 Hiệu ứng nước nông 111
7.3 Khúc xạsóng 117
7.3.1 Sựkhúc xạcủa sóng thường có đỉnh dài 117
7.3.2 Sựkhúc xạcủa sóng ngẫu nhiên 120
7.3.3 Tính sựkhúc xạcủa sóng ngẫu nhiên bằng phương trình thông
lượng năng lượng 122
7.3.4 Sựkhúc xạcúa sóng ngẫu nhiên tại vùng biển có các đường đẳng
sâu thẳng song song 124
7.4 Sựphản xạsóng 126
7.4.1 Phân tích lý thuyết sựphản xạsóng điều hoà 126
7.4.2 Sựphản xạsóng ngẫu nhiên từcác công trình ven bờ 128
7.5 Sựnhiễu xạsóng 132
7.5.1 Quá trình nhiễu xạcủa sóng điều hoà 132
7.5.2 Nguyên lý Huygen 136
7.5.3 Đường xoắn ốc Cornu 136
7.5.4 Sựnhiễu xạcủa sóng ngẫu nhiên 146
7.5.5 ứng dụng của giản đồnhiễu xạsóng điều hoà 153
7.6 Sóng có độcao lớn nhất 153
7.7 Sóng vỡ 155
7.7.1 Sựvỡcủa sóng điều hoà 155
7.7.2 Sựvỡcủa sóng ngẫu nhiên 162
8 NƯỚC DÂNG VÀ DÒNGVEN DO SÓNG TẠO RA 173
8.1 Giới thiệu 173
8.2 Ứng suất bức xạ: trường hợp 1 chiều 173
8.3 Nước dâng do sóng: trường hợp 1 chiều 175
8.4 Ứng suất bức xạ: trường hợp hai chiều 180
8.5 Dòng ven do sóng tạo ra 182
8.6 Nước dâng sóng gây ra do sóng vỡ 186
8.7 Dòng ven do sóng ngẫu nhiên gây ra trên một bãi phẳng 188
9 LỰC SÓNG LÊN CÁC CÔNG TRÌNH 191
9.1 Giới thiệu chung 191
9.2 Các thông sốvà chế độdòng chảy 192
9.3 Lực sóng lên một bức tường 196
9.4 Lực sóng lên một công trình có thểtích lớn 199
9.5 Lực sóng lên một công trình nhỏgọn 199
9.5.1 Giới thiệu chung 202
9.5.2 Lực của chất lỏng tác dụng lên các vật thểtrong một dòng chảy đều và ổn định 202
9.5.3 Lực của chất lỏng tác dụng lên các vật thểtrong một dòng chảy đều và không ổn định 205
9.5.4 Lực của chất lỏng tác dụng lên các vật thểnhỏgọn khi có sóng 210
9.6 Tổng kết vềcác chế độdòng chảy 212
9.7 Thí dụ 214
10 ĐO ĐẠC VÀ DỰBÁO SÓNG ĐẠI DƯƠNG 217
10.1 Các kỹthuật đo đạc sóng đại dương 217
10.1.1 Các kỹthuật đo đạc tại chỗ 218
10.1.2 Các kỹthuật viễn thám 221
10. Các phương pháp dựbáo sóng cho FAS 224
10.2.1 Các đặc trưng thống kê của sóng ngoài hiện trường 225
10.2.2 Dựbáo sóng cho FAS 228
10.3 Các phổtrung bình của sóng gió 235
10.4 Các phương pháp đơn giản đểdựbáo cho một vùng có độsâu giới hạn 237
10.5 Sóng trong khu vực dựbáo 242
10.6 Sóng trong khu vực phân tán 245
10.7 Các mô hình sốtrị đểdựbáo sóng 249
10.7.1 Các mô hình phân giải pha 250
10.7.2 Các mô hìnhtính pha trung bình cho vùng nước sâu 254
10.7.3 Các mô hìnhtính pha trung bình cho vùng nước nông 261
11 CÁC ĐẶC TRƯNG SÓNG GIÓ TRONG VÙNG BIỂN VIỆT NAM 265
11.1 Chế độgió vùng biển nước ta 265
11.1.1 Những nhận xét chung 265
11.1.2 Vùng khí hậu biển miền Bắc và Bắc Trung bộ 266
11.1.3 Vùng khí hậu biển miền Trung và Nam Trung bộ 269
11.1.4 Vùng khí hậu biển miền đồng bằng miền Nam 270
11.1 Chế độsóng vùng biển nước ta 272
11.2.1 Sóng tại Miền Bắc và Bắc Trung bộ 272
11.2.2 Các đặc trưng sóng gió ngoài khơi và duyên hải miền Trung 273
11.2.3 Các đặc trưng sóng gió ngoài khơi và duyên hải miền Nam 274
Tài liệu tham khảo 275
Để tải bản Đầy Đủ của tài liệu, xin Trả lời bài viết này, Mods sẽ gửi Link download cho bạn sớm nhất qua hòm tin nhắn.
Ai cần download tài liệu gì mà không tìm thấy ở đây, thì đăng yêu cầu down tại đây nhé:
Nhận download tài liệu miễn phí
Tóm tắt nội dung tài liệu:
®−êng xo¾n èctr¬n tru khi mµ c¸c kÝch th−íc nguån tiÕn tíi giíi h¹n v« cïng bÐ) víi c¸c ®iÓm giíi h¹n
t−¬ng øng víi c¸c nguån t¹i ∞+ . Cã thÓ t×m ®−îc sù ®ãng gãp cña c¸c nguån tõ bªn tr¸i
P' (tíi j = ∞− ) b»ng c¸ch céng c¸c ¶nh trong g−¬ng cña ®−êng xo¾n èc ®èi víi ®iÓm
t−¬ng øng víi P'. KÕt qu¶ ®−îc gäi lµ ®−êng xo¾n èc Cornu, nh− chØ ra trªn h×nh 7.19.
Tæng cña tÊt c¶ c¸c ®ãng gãp tõ tÊt c¶ c¸c nguån (tõ ∞− tíi ∞+ cho ta sãng tíi cã
biªn ®é ( ∞a ) còng nh− pha. Trªn ®−êng xo¾n èc Cornu, ®iÒu nµy ®−îc biÓu thÞ b»ng mét
vector vÏ tõ ®iÓm giíi h¹n ∞− ~ tíi ®iÓm giíi h¹n ∞+ ~ . ChiÒu dµi cña vector nµy biÓu thÞ
∞a , vµ h−íng cña nã biÓu thÞ pha cña sãng tíi ®iÓm P.
H×nh 7.20 S¬ ®å ®Ó x¸c ®Þnh QψΔ
Cã thÓ thÊy tõ tr×nh tù trªn r»ng mÆt sãng tíi kÐo dµi tõ ∞− tíi ∞+ ®−îc chiÕu
lªn ®−êng xo¾n èc t−¬ng øng mét mét gi÷a (®iÓm) c¸c nguån trªn mÆt, nh− ®−îc "nh×n" tõ
P, vµ ¶nh cña chóng trªn ®−êng xo¾n èc. Sù t−¬ng øng nµy cã thÓ ®−îc x¸c lËp mét c¸ch
®Þnh l−îng nh− sau.
Cho Q lµ mét ®iÓm nµo ®ã trªn mÆt sãng tíi, c¸ch P mét kho¶ng cho tr−íc Qr nh−
trªn h×nh 7.20. ¶nh cña nã trªn ®−êng xo¾n èc Cornu ®èi víi ®iÓm P c¸ch mét kho¶ng Py
tõ mÆt sãng theo h−íng truyÒn sãng cã thÓ ®−îc x¸c ®Þnh tõ hiÖu sè pha cña c¸c ®ãng gãp
vµo Pζ tõ c¸c nguån t¹i P' vµ Q:
L
yr PQ
PPPQQ
−=−=Δ πψψψ 2' (7.79)
HiÖu sè pha nµy b»ng gãc gi÷a tiÕp tuyÕn víi ®−êng ®−êng xo¾n èc Cornu t¹i c¸c
140
®iÓm cã ¶nh cña P' vµ Q, ký hiÖu lµ '~P vµ Q~ . VËy, biÕt Qr , Py vµ L, cã thÓ tÝnh
QψΔ tõ (7.79), vµ ®iÒu ®ã cho mét ®iÓm Q~ duy nhÊt trªn ®−êng xo¾n èc, biÕt r»ng nã
nhÊt ®Þnh ph¶i n»m gi÷a '~P vµ ®iÓm giíi h¹n ∞+ ~ (xem h×nh 7.20).
Trong thùc tÕ, viÖc dïng mét phÇn cña chu kú, ®−îc cho bëi (r - y)/L thuËn tiÖn h¬n lµ
viÖc dïng gãc nh− trªn. V× lý do nµy, ng−êi ta dïng mét th«ng sè W ®Þnh nghÜa nh− sau
L
yrW −= (7.80)
Gi¸ trÞ cña W ®−îc vÏ däc theo copy cña ®−êng xo¾n èc Cornu (H×nh 7.19). §Ó tr¸nh
lµm rèi h×nh, c¸c ®iÓm cã cïng phÇn d− cña W ®−îc nèi bëi c¸c ®−êng cong ®øt. ThÝ dô
nh−, h·y xem xÐt mét ®iÓm R sao cho 4/Lyr RR =− , hay 4/1=RW . §iÒu nµy cã nghÜa
lµ 2/πψ =Δ R , vµ R~ lµ ®iÓm ®Çu tiªn trªn ®−êng xo¾n èc gi÷a '~P vµ “ ∞+ ~ ” mµ ë ®ã
tiÕp tuyÕn cña ®−êng xo¾n èc vu«ng gãc víi tiÕp tuyÕn cña ®−êng ®ã t¹i '~P . Nã cã thÓ
®−îc x¸c ®Þnh lµ ®iÓm mµ ë ®ã W = 0.25.
b) ¸p dông cho mét ®Ëp ph¸ sãng ®¬n
C¸c kÕt qu¶ tr−íc ®©y giê sÏ ®−îc ¸p dông ®Ó tÝnh biªn ®é sãng t¹i mét ®iÓm gÇn víi
mét ®Ëp ph¸ sãng mµ hiÖn t−îng nhiÔu x¹ x¶y ra xung quanh nã, nh− chØ ra trªn h×nh 7.21.
- Trôc y ®−îc ®Þnh nghÜa h−íng theo ph−¬ng truyÒn sãng víi gèc cña nã (y = 0) n»m
t¹i ®Ønh cña ®Ëp ph¸ sãng Q.
- Gi¸ trÞ cña W = (r - y)/L ®−îc tÝnh víi r lµ kho¶ng c¸ch theo ph−¬ng b¸n kÝnh tõ
®iÓm Q tíi ®iÓm P, vµ y lµ tung ®é cña P.
- ¶nh (Q~ ) cña trªn ®−êng xo¾n èc ®−îc x¸c ®Þnh theo gi¸ trÞ W tÝnh trong b−íc tr−íc
®ã, víi chó ý r»ng Q~ n»m trªn nöa ®óng cña ®−êng xo¾n èc (tøc lµ gi÷a '~P vµ “ ∞+ ~ ”
nÕu Q n»m bªn ph¶i cña PP', nh×n tõ P).
- Tæng vector ®−îc x¸c ®Þnh lµ ®ãng gãp cña tÊt c¶ c¸c nguån trªn cña mÆt c¸c sãng
cã thÓ tíi P theo mét ®−êng th¼ng (cã thÓ “nh×n” tõ P). Trong thÝ dô tiÕp theo, ®ã lµ mét
141
vector vÏ tõ ®iÓm giíi h¹n ∞− ~ tíi Q~ . §é dµi cña vector nµy biÓu thÞ biªn ®é sãng t¹i P,
víi mét tû lÖ sao cho kho¶ng c¸ch gi÷a hai ®iÓm giíi h¹n biÓu thÞ ∞a .
H×nh 7. X¸c ®Þnh hÖ sè nhiÔu x¹ t¹i mét ®iÓm gÇn mét ®Ëp ph¸ sãng ®¬n (Battjes,
1984)
ThÝ dô Nh− trªn h×nh 7.22, ∞a =3m, ∞α =30o, L=100m, t×m 1Pa vµ 2Pa .
H×nh 7.22
Lêi gi¶i:
T¹i ®iÓm 1P :
omy 30cos)(200 ×= =174m, 026.0=−=
L
yrW . §−êng xo¾n èc Cornu
®−îc cho trªn h×nh 7.23.
142
Vector kÕt qu¶ tõ Q~ to ∞+ ~ víi chiÒu dµi 39mm. Kho¶ng c¸ch gi÷a hai ®iÓm giíi h¹n lµ
198mm, nã biÓu thÞ ∞a =3m. Nh− vËy:
58.03
198
39
1 =×= maP m.
H×nh 7.23 §−êng xo¾n èc Cornu cho ®iÓm 1P
T¹i ®iÓm 2P : 2=200m 2832 =× m, ( )oomy 30sin30cos)(200 +×= =274m,
09.0=−=
L
yrW . §−êng xo¾n èc ®−îc cho trªn h×nh 7.24.
H×nh 7.24 §−êng xo¾n èc Cornu cho ®iÓm 2P
Vector kÕt qu¶ tõ Q~ tíi ∞+ ~ víi chiÒu dµi 175mm. Nh− vËy:
143
61.23
198
174
2 =×= maP m.
Chó ý r»ng ¶nh cña ®Çu ®ª trªn ®−êng xo¾n èc phô thuéc vµo ®iÓm quan tr¾c ( 1P
hay 2P ).
NÕu quy tr×nh m« t¶ ë trªn ®−îc lÆp l¹i cho tÊt c¶ c¸c ®iÓm trªn mét ®−êng c¾t ngang
®−êng ph©n chia miÒn khuÊt sãng víi miÒn ®ãn sãng (th−êng ®−îc gäi lµ ®−êng khuÊt
sãng) ta cã h×nh ¶nh nh− trªn h×nh 7.25.
H×nh 7. Sù biÕn ®æi cña hÖ sè nhiÔu x¹ theo kho¶ng c¸ch tõ ®Çu ®Ëp ph¸ sãng.
Thay cho sù ®ét biÕn trong biªn ®é sãng nÕu nh− kh«ng cã nhiÔu x¹ ( dK = 0 däc
theo AB, dK = 1 däc theo BC), ta thÊy mét qu¸ tr×nh biÕn ®æi tõ tõ víi gi¸ trÞ dK = 0.5 däc
theo ®−êng khuÊt sãng. Trong miÒn khuÊt sãng biªn ®é gi¶m liªn tôc khi mµ kho¶ng c¸ch
tõ ®−êng khuÊt sãng t¨ng lªn, vµ trong miÒn ®ãn sãng nã dao ®éng víi mét biªn ®é gi¶m
dÇn vµ tiÖm cËn tíi gi¸ trÞ 1.
Gi¸ trÞ ®Çu tiªn vµ lín nhÊt cña dK lµ xÊp xØ 1.17; Nã x¶y ra khi mµ W=0.36. Gi¸ trÞ
nµy cña W (hay mét gi¸ trÞ nµo kh¸c) x¶y ra kh«ng chØ ë mét ®iÓm, mµ cßn ë mét quü tÝch
c¸c ®iÓm ®−îc x¸c ®Þnh b»ng c¸ch chó ý r»ng yWLr += , hay lµ
( ) WLyWLx 222 += (7.81)
§©y lµ ph−¬ng tr×nh cña mét parabola nÕu W = const. §−êng khuÊt sãng mµ ë ®ã W
144
= 0 lµ mét parabola ®−îc lµm gi¶m ®i. C¸c parabola ®−îc cho thÊy trªn h×nh 7.26.
H×nh 7.26 C¸c ®−êng ®¼ng cña W.
Víi môc ®Ých hoµn thiÖn bµi to¸n, cÇn ph¶i nh¾c l¹i lµ quy tr×nh kÓ trªn cã thÓ ¸p
dông cho c¸c sãng ph¶n x¹ tõ ®Ëp ph¸ sãng. Vector cã thÓ bÞ gi¶m ®é dµi ®Ó cho phÐp ph¶n
x¹ mét phÇn, cã thÓ ®−îc thªm vµo c¸c sãng nhiÔu x¹ tõ sãng tíi sau khi quay nã mét gãc
sao cho c¶ hai vector kÕt qu¶ cã mét gãc chuÈn nh− nhau.
c) Tæng qu¸t ho¸
Lý thuyÕt Sommerfeld vÒ nhiÔu x¹ sãng ®· ®−îc rót ra tõ mét tËp hîp c¸c gi¶ thuyÕt.
Trong phÇn nµy ta sÏ tæng quan c¸c gi¶ thiÕt liªn quan tíi ®Ëp ph¸ sãng vµ chØ ra r»ng lµm
thÕ nµo ®Ó níi láng c¸c gi¶ thiÕt nµy ®Ó më réng miÒn ¸p dông thùc tÕ.
ChiÒu dµy cña mµn, hay lµ chiÒu dµy cña ®Ëp ph¸ sãng vÒ mÆt lý thuyÕt lµ b»ng 0. Trong
thùc tÕ, gi¶ thiÕt nµy lµ ®ñ tèt nÕu nh− chiÒu dµy nµy lµ nhá so víi b−íc sãng. Trong
kho¶ng chiÒu dµi h÷u h¹n ®ã, mÆt ®Ëp kh«ng nhÊt thiÕt ph¶i lµ th¼ng ®øng.
Theo lý thuyÕt th× mÆt ®Ëp ph¶n x¹ sãng 100%, nh−ng bëi v× ¶nh h−ëng cña nã lµ
t−¬ng ®èi nhá trong miÒn kh«ng lé trùc tiÕp ra sãng ph¶n x¹, ®iÒu kiÖn nµy cã thÓ ®−îc bá
qua. Thùc ra, trong quy tr×nh ¸p dông trong môc tr−íc, sãng ph¶n x¹ bÞ lo¹i bá hoµn toµn,
vµ phÐp xÊp xØ nµy sÏ tèt h¬n nÕu hÖ sè ph¶n x¹ nhá h¬n.
§Ëp ph¸ sãng vÒ mÆt lý thuyÕt lµ cøng vµ kh«ng thÊm. Trong tr−êng hîp ®Ëp ph¸
145
sãng di chuyÓn ®−îc hay rçng, sãng sÏ truyÒn qua th©n ®Ëp sang miÒn khuÊt sãng. NÕu hÖ
sè truyÒn qua (tû sè biªn ®é) ®−îc biÕt tr−íc th× cã thÓ ¸p dông nã nh− mét thõa sè nh©n
vµo c¸c vector t−¬ng øng trong gi¶n ®å Cornu.
Cuèi cïng, chóng ta h·y xem xÐt h×nh thÓ cña ®Ëp ph¸ sãng trªn mÆt ngang. VÒ mÆt
lý thuyÕt, ®ã lµ mét ®−êng th¼ng b¸n v« h¹n. Tuy nhiªn, trong phÐp xÊp xØ cho ë trªn mµ
trong ®ã hiÖu øng cña ph¶n x¹ bÞ bá qua, gi¸ trÞ cña dK t¹i mét ®iÓm ®−îc x¸c ®Þnh b»ng
gi¸ trÞ cña W, cã tÝnh ®Õn thùc tÕ lµ ®iÓm ®ã n