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 波浪運動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動。 波浪運動是隨機的，但是，并非雜亂無章，有其“內(nèi)在規(guī)律”，或者說，規(guī)律寓于大量的不確定的變化之中。 表征隨機現(xiàn)象的變量為隨機變量，不能以確定性的數(shù)字標(biāo)定，只能以統(tǒng)計平均或概率的數(shù)學(xué)語言來描述。應(yīng)用隨機過程和概率論的數(shù)學(xué)方法，討論波浪運動的

2、規(guī)律，尋求波浪運動的數(shù)字特征，用以區(qū)別不同類型的隨機波浪運動。 規(guī)則波 隨機波7波浪運動的分類1. 海洋環(huán)境因素分析-波浪 8波浪運動的分類 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)幾到幾十個小時 假潮：發(fā)生在河灣，湖泊與港灣 潮汐：周期為12.42小時(太陰半日潮)，12.00小時(太陽半日潮) 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波浪運動的成因1. 海洋環(huán)境因素分析計算 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，海面波動隨時間變劇，反之，海浪逐漸減小。1. 海洋環(huán)境因素分析-波浪 10波浪運動的成因1. 海洋環(huán)境因素分析計算 1. 海洋環(huán)境因素分析-波浪 11風(fēng)速15m/s，波浪成長與風(fēng)時、風(fēng)區(qū)的關(guān)系。1. 海洋環(huán)境因素分析計算 1. 海洋環(huán)境因素分析-波浪 1290.1 海洋環(huán)境因素分析沒有其它資料時，可近似認(rèn)為 浪級風(fēng)級-11390.1 海洋環(huán)境因素分析14波浪運動的隨機性右圖是根據(jù)從兩架飛機上拍攝的海面立體照片而繪制的兩張海面等高線實例?？梢钥闯觯ɡ说奶卣髟跁r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)的兩個樣本。1.2 波浪運動的統(tǒng)計特征15長期分布和短期分布在討論海浪外觀特征中常常用到統(tǒng)計分析和概率分布的名詞，二者是有區(qū)別的。統(tǒng)計分析是以實測資料為依據(jù)，對觀測的海浪要素作出直方圖或累積頻率曲線，并以經(jīng)驗方法外推概率曲線來預(yù)估未來可能發(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程的一個完整的樣本，若樣本中包含有數(shù)百個大小起伏的波浪，時段長度為1030分鐘，則該樣本基本上反

5、映了隨機海浪總體的概率特性。1.2 波浪運動的統(tǒng)計特征16單個波浪的特征描述 波高 H： 波峰到相鄰部分波谷的垂直空間距離； 過零周期 Tz： 上過零點到相鄰上過零點的水平時間距離； 波面瞬時升高 (t)： 在時間軸上 t 時刻的波面垂直空間距離； 波向：波浪傳播運動的主方向。1.2 波浪運動的統(tǒng)計特征17采樣： 波高 H 和周期 TZ：通常的海洋觀測資料中，波浪的觀測時間為每隔3小時一次，每次10-20分鐘，最少記錄單波100個。 i = 1,2,N; 1.2 波浪運動的統(tǒng)計特征18采樣樣本實例： 波高 H 和周期 TZ：1.2 波浪運動的統(tǒng)計特征19統(tǒng)計特征一平均值：表示波動的算術(shù)平均水平

6、。1.2 波浪運動的統(tǒng)計特征20統(tǒng)計特征二均方根值： 均方根波高和均方根周期：表示波動的能量平均水平。1.2 波浪運動的統(tǒng)計特征21統(tǒng)計特征三有義值：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。表示波動的可視平均水平。1.2 波浪運動的統(tǒng)計特征22對例子中的波浪觀測數(shù)據(jù)有：1.2 波浪運動的統(tǒng)計特征有義值：23海浪模型為了從理論上描述隨機海浪的特性，在實測資料的基礎(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，海上某一固定點的波動是由許多位相不同，振幅也不同的余弦波疊加而得的。如下圖。其中 為第n個余弦組成波的

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

8、動的隨機特征 具有上述物理與數(shù)學(xué)特征的隨機過程，在數(shù)學(xué)上稱作為： 平穩(wěn)的各態(tài)歷經(jīng)的隨機過程。27 波浪運動的概率密度函數(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，實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 波浪運動的概率密度函數(shù) 若波浪是窄帶的平穩(wěn)的各態(tài)歷經(jīng)的隨機過程，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 對波高的概率密度函數(shù)進(jìn)行積分得到波高的累計概率分布函數(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)的隨機過程的概率密度函數(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