水力學(xué)講稿(黃華版)2014(Anew3b)pptcankao

2023/2/61*水動力學(xué)課程參考書介紹①水波理論及其應(yīng)用（鄒志利，科學(xué)出版社）②水波動力學(xué)基礎(chǔ)（吳云崗，陶明德，復(fù)旦大學(xué)出版社）③波浪對海上建筑物的作用（李玉成，滕斌等，海洋出版社）④TheAppliedDynamicsofOceanSurfaceWaves(ChiangC,Mei梅強(qiáng)中，AWiley-IntersciencePublication,NewYork)2023/2/62

水波動力學(xué)課程講義稿

第一章基本方程與問題的近似提法

1.本課程所涉范疇

----基本方程與近似方法、微幅波理論、水波與物體的相互作用、界面波理論、非線性波理論、波浪滲流力作用等。

2.波浪問題的一般概念

①波浪的成因與常見類型3

------

自然界存在大量波動現(xiàn)象。平衡水介質(zhì)受擾動時，產(chǎn)生初始速度或位移，在回復(fù)力作用下（重力或表面力）恢復(fù)平衡，由此產(chǎn)生波浪。

------

常見的波動現(xiàn)象包括風(fēng)生波(陣風(fēng)作用

)、涌浪(暴風(fēng)停止后的余留,屬于水躍的一種)、潮汐波(太陽和月亮引力)、水躍(明渠流中水流速大于由障礙物所引起擾動--淺水重力波波速,形成水面突然躍起,如水庫泄水)、地震津波(海底搖蕩,可致海嘯)、瞬變波（擾動源運(yùn)動非周期化，如投入水中石頭所激發(fā)的波動）、洪水波、船行波及內(nèi)波(海洋水表面受陽光照射使表層升溫,在一定深度水層以下水溫不再升高,形成溫度突變的躍變層,該層面在上下方向微小擾動下,微小密度差使水體浮力變化而誘發(fā)或加劇該層面波動,形成二層海內(nèi)波)。

------波浪理論中常見分析類型包括微幅波、有限振幅波3、淺水波（如橢圓余弦波和孤立波）、內(nèi)波、船行波、瞬變波、破碎波及無規(guī)則波等。2023/2/64

產(chǎn)生波動的要素：介質(zhì)擾動源恢復(fù)力水波水風(fēng)、潮汐、地震、流場中的障礙物、運(yùn)動物體等重力，表面張力2023/2/65

流體處于靜止?fàn)顟B(tài)時，自由面是水平的。當(dāng)流體質(zhì)點(diǎn)受到某種擾動而離開平衡位置時，重力作為恢復(fù)力將使流體質(zhì)點(diǎn)回到原來的平衡位置，但由于慣性，流體質(zhì)點(diǎn)在回到平衡位置時，不會停下而是繼續(xù)運(yùn)動，這樣重力又將發(fā)揮恢復(fù)力的作用，如此流體質(zhì)點(diǎn)反復(fù)振蕩，在自由面上形成波浪。2023/2/662023/2/672023/2/682023/2/692023/2/610

近岸波變形2023/2/611

波浪破碎2023/2/612

近岸波破碎2023/2/6132023/2/614

波浪傳播折射與反射及繞射2023/2/615

船運(yùn)動興波2023/2/616船運(yùn)動興波2023/2/6172023/2/618

2.波浪問題的一般概念②波浪問題研究的工程應(yīng)用背景

----海面上波浪最大高度可達(dá)二三十米，對船舶、采油平臺和港口等海工設(shè)施可能產(chǎn)生較大的破壞，因而需對波浪載荷加以確定，對波浪的破壞作用加以預(yù)估。

----在設(shè)計(jì)海工結(jié)構(gòu)時，為確定波浪載荷，需確定使用期內(nèi)建筑物可能遇到的最大海浪等波浪要素，為此需對海浪形成機(jī)理及海浪預(yù)報(bào)加以研究。

----波浪要素確定后，為確定波浪載荷還需研究波浪的流體運(yùn)動規(guī)律，因而需要建立和完善各種波浪理論。

----應(yīng)用各種波浪理論，可進(jìn)一步研究波浪與物體的相互作用問題，從而為結(jié)構(gòu)的動力學(xué)特性分析提供重要數(shù)據(jù)。此外，波浪理論在波能利用問題研究中也十分重要。

----波浪傳入淺水之后將引起海底泥沙運(yùn)動，從而導(dǎo)致港口等海岸建筑物附近海岸的淤積或沖刷及航道的淤積，甚至對岸堤上建筑物的直接沖擊和破壞。因而近岸波浪作用理論的發(fā)展十分必要。2023/2/619例大尺度海工結(jié)構(gòu)波浪作用研究隨著人類對海洋開發(fā)的不斷增長，海洋結(jié)構(gòu)物的建造尺度也在不斷增大。例如在海上石油鉆井平臺的設(shè)計(jì)中，很多都采用大直徑圓柱結(jié)構(gòu)作為支撐物；在自升式重力平臺以及港口碼頭船錨錨碇的建造中，通常采用大型沉塊結(jié)構(gòu)；在海洋半潛式平臺如水上碼頭或水上休閑運(yùn)動場所和海洋網(wǎng)箱的建造中，都要用到浮筒結(jié)構(gòu)。2023/2/620

此外，防波堤（包括固立式和浮動式）也屬于淺水海域中的大尺度近岸海工結(jié)構(gòu)物。例如前年啟動的一個千萬元級別的海洋工程重大項(xiàng)目（2010年國家海洋公益性行業(yè)科研項(xiàng)目“新型浮式防波堤關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用示范”）所涉及的結(jié)構(gòu)就屬于典型的大尺度海工物體。2023/2/621海洋石油鉆探平臺2023/2/622

波浪繞圓柱2023/2/6232023/2/6242023/2/6252023/2/626

波浪繞防波堤2023/2/627

波浪繞防波堤2023/2/628例波能利用

21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，人類從大海中利用資源已成為必然趨勢。其中海浪所蘊(yùn)藏的波浪能是一種取之不盡的可再生能源，有效利用巨大的海洋波浪能資源是人類幾百年來的夢想。波浪能是以一種取之不竭的可再生清潔能源。海洋中有豐富的波浪能和水，波浪能是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能，波浪能具有能量密度高，分布面廣等優(yōu)點(diǎn)。它是一種最易于直接利用、取之不竭的可再生清潔能源。氣動式波浪發(fā)電設(shè)施2023/2/629波能試驗(yàn)實(shí)例震蕩式波浪能發(fā)電裝置---裝置的原動力為波浪沖擊載荷，在波浪沖擊載荷的作用下，通過門板與門板后的擋板之間的相互配合使門板做往復(fù)運(yùn)動。與門板固連的豎軸與門板一起做往復(fù)轉(zhuǎn)動，該豎軸通過錐齒輪與水平橫軸連接將豎軸的往復(fù)轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為水平軸的雙向轉(zhuǎn)動。水平軸的雙向轉(zhuǎn)動輸入通過本裝置的一套棘輪機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換為單向轉(zhuǎn)動輸出，單向轉(zhuǎn)動輸出軸與鏈輪發(fā)條機(jī)構(gòu)連接，并將能量貯存在發(fā)條中，發(fā)條由控制電路控制并通過鏈傳動與發(fā)電機(jī)相連最終實(shí)現(xiàn)本作品的發(fā)電的功能。30例洞室爆破涌浪形態(tài)及作用研究在水域旁進(jìn)行洞室爆破，大量爆破拋擲體拋入水中時會產(chǎn)生涌浪。國內(nèi)有關(guān)資料有：1990年5月惠州深水港通用碼頭640t定向拋擲爆破時，“爆破拋擲體掀起的涌浪高達(dá)5m左右，并逐漸變低向外傳播，到2.5km處約0.5m高，兩岸涌浪爬高10～13m，破壞了西側(cè)350m珍珠養(yǎng)殖場的部分浮標(biāo)，且有不少魚被拋擲體及飛石砸死和被涌浪涌至岸上。”1991年1月惠州港油制氣碼頭3300t大爆破(芝麻州島大爆破)時，“產(chǎn)生的涌浪高達(dá)2．5m左右，并向前推進(jìn)，當(dāng)遇到高3m左右的碼頭時，涌浪爬高達(dá)6m左右。涌浪爬上碼頭后，有一股浪頭在碼頭上前進(jìn)，將原留下的幾十座工棚全部推倒化為烏有。涌浪對海洋魚類也有影響，有不少小魚被涌上碼頭，但位于碼頭西側(cè)距爆區(qū)約800m處的海洋生物實(shí)驗(yàn)場卻安然無恙。2023/2/631

實(shí)例：

程高山位于浙江省淳安縣縣城中，周圍建筑物密布。程高山土石方爆破工程為程高山安居工程前期場平工程中的開挖區(qū)爆破工程。在程高山洞室爆破中，有3次(一區(qū)、三區(qū)和六區(qū))因爆破破碎體拋入湖內(nèi)而出現(xiàn)了涌浪。

一區(qū)洞室爆破平面布置示意圖

2023/2/632一區(qū)洞室爆破典型剖面圖

2023/2/633一區(qū)前方水域縱深在700m以上，側(cè)向岸線與拋擲方向垂直，由拋擲體形成的前向的涌浪能量受水面阻力的約束，在100m左右就衰減成波浪，而沿湖岸向側(cè)向發(fā)展的涌浪形成潮涌式的沿岸涌浪，以大約3～5m／s的速度順湖岸走向由南向北→東→南→北向前推進(jìn)，浪高2m有余，場面壯觀。涌浪沿岸行進(jìn)距離在600m以上。2023/2/634---

(相關(guān)結(jié)論)涌浪的傳播距離通常比較遠(yuǎn)，對水面船只、網(wǎng)箱的影響比較大。要考慮涌浪對岸堤的沖刷及可能引起的岸堤上建筑物的陷落和破壞；涌浪上岸后水流對岸上建筑物的沖擊和破壞。必須預(yù)計(jì)和防范強(qiáng)度很大的涌浪對建筑物的毀滅性破壞情況的出現(xiàn)。

2023/2/6352023/2/6362023/2/637船模實(shí)驗(yàn)水池

長*寬*深=108*7*3.5米水池拖車（車速:6.5m/s)

Thenewtowcarriage(5March2001)波浪作用理論的研究發(fā)展與波浪實(shí)驗(yàn)密切相關(guān)。2023/2/638水池拖車（車速:5m/s)

2023/2/639MarineBasin2023/2/640

2.波浪問題的一般概念③

波浪特征參數(shù)

----波浪的基本特征參數(shù)包括波幅A、波高H、波長λ、周期T、波速c(c=λ/T)、波頻f(f=1/T)、圓頻率ω(ω=2πf)、波數(shù)k(k=2π/λ)、波陡(H/λ)、波面鉛垂位移η等。

-----波長λ：兩個相鄰波峰(谷)間的距離;周期T：相鄰波峰(谷)通過一固定點(diǎn)的時間差;波頻f：單位時間內(nèi)出現(xiàn)的波的次數(shù);圓頻率ω：單位時間內(nèi)繞過的弧度(正弦波為最簡單實(shí)際的波形,一個周期對應(yīng)的波形對應(yīng)弧度為2π);波數(shù)k:單位距離內(nèi)含有波長的個數(shù)所對應(yīng)的弧度。

2023/2/641

波幅(waveamplitude):A靜水深(waterdepth):h波高(waveheight):H=2A波傾角(waveslope):α波長(wavelength):λ

波數(shù)(wavenumber):k=2π/λ

波峰(crest)波谷(trough)αWaveslope水平面2023/2/642

①水波問題的基本假定條件：1）水是無粘性(不考慮水粘性)；2）水是不可壓縮流體；3）水波運(yùn)動流場是無旋的。水波問題是理想不可壓流體的無旋運(yùn)動問題水波問題必須服從不可壓勢流運(yùn)動的基本控制方程3.基本方程與定解條件2023/2/643

3.基本方程與定解條件②水的流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動方程

1）拉格朗日形式

------

2）歐拉形式

------（利用）

2023/2/644*拉格朗日流體質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動方程之推導(dǎo)

----方程的一般形式：式中,為作用于單位質(zhì)量流體上之體力。分析：采用微元分析法，如圖示，在x軸方向由左右兩面

壓強(qiáng)差產(chǎn)生的合力為

同理，在y和z軸方向由壓強(qiáng)差產(chǎn)生的合力應(yīng)分別為故作用于微元體上對應(yīng)的總合力為2023/2/645設(shè)作用于微元體單位質(zhì)量的體力為，則作用于微元體上的總體力為，另微元體加速度為，應(yīng)用牛頓定律可得：即*上式也可直接由流體的納維—斯托克斯方程(N-S方程)對于無粘流體，有，故有歐拉方程

2023/2/646③連續(xù)方程

------

分析：由質(zhì)量守恒律:一個流體系統(tǒng)中的流體質(zhì)量在運(yùn)動過程中保持

不變。按雷諾輸運(yùn)定理，即在一固定空間（控制體）中流體質(zhì)量

的減少率（單位時間內(nèi)控制體中流體質(zhì)量的減少）等于單位時間

內(nèi)通過控制體表面流出的流體凈質(zhì)量,也即有對于不可壓流體,有,故,再由斯托克斯公式得

47④調(diào)和方程(拉普拉斯方程)

------

分析：引入亥姆霍茲定理（開爾文定理）：體力有勢的無粘正壓流體,沿任一條由相同質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成的封閉線(流體線)之環(huán)量不隨時間變化，由此可知，流體若開始流動時處處無旋，則以后時刻保持無旋。由此有：

故可取

代入連續(xù)方程，得

⑤伯努利方程（拉格朗日積分）

------2023/2/648*參考件---無旋條件推導(dǎo)

開爾文定理2023/2/6492023/2/6502023/2/651

*伯努利方程（拉格朗日積分）推導(dǎo)對于無粘流體,引入歐拉方程,應(yīng)用式

,則有

再設(shè)體力有勢,則可定義一體力勢使。當(dāng)流體正壓時,可設(shè)有,即,相應(yīng)即

52又流體運(yùn)動無旋,即,則且,則有若令,則仍有及,故上式可改寫為3.基本方程與定解條件⑤定解條件1)邊界條件

----固定表面(如海底):;----自由表面:(i)運(yùn)動學(xué)條件

(ii)動力學(xué)條件;若取,則仍有及,故可改寫為

;若作一階近似有及2023/2/653*固面條件及自由面運(yùn)動學(xué)條件推導(dǎo)2023/2/654自由面運(yùn)動學(xué)條件中自由面位置z=η

和速度勢均為未知，因此它是一個非線性方程，且與自由面的時間變化有關(guān)。更為困難的是，自由面運(yùn)動學(xué)條件要在未知的自由面上滿足，而自由面位置本身是需要求解的。流體速度分量波面傾斜度2023/2/655

邊界條件(boundaryconditions)歸納：

水底部條件(在z=-h上)

自由面運(yùn)動學(xué)條件(在z=η上)

自由面動力學(xué)條件(在z=η上)加上此方程構(gòu)成定解問題2023/2/6562)初始條件

----初始位移:流體質(zhì)點(diǎn)在重力作用下產(chǎn)生波動;在有勢力作用下,流場保持無旋。

----初始速度:如瞬時附加壓強(qiáng)（一陣風(fēng)等），其停止時刻即為初始時刻，由此產(chǎn)生初始速度分布，由其產(chǎn)生的波動仍保持無旋。分析：574.邊值問題的近似提法（Stokes一階與二階波問題提法）2023/2/658？2023/2/65960分析：1）自由面條件的變換式其中進(jìn)一步可有2023/2/662比較另有：*比較在z=0處展開63另有：2）泰勒展開定理在處展開為：3）第一、二階波勢自由面條件式1）自由面條件的變換式分析：2023/2/664代入2023/2/665664）第二階波勢自由面條件推導(dǎo)（1）應(yīng)用可令在處展開：代入上式，再由(A)，歸并項(xiàng)可分別得：將和67*練習(xí)：如何進(jìn)行第三階波勢自由面條件（1）推導(dǎo)分析：應(yīng)用可令在處展開：代入上式，再由(A)，歸并項(xiàng)可分別得：將和68應(yīng)用再令在處展開為：代入上式，再由(A)，歸并項(xiàng)可分別得：將和4）第二階波勢自由面條件推導(dǎo)（2）69應(yīng)用再令在處展開為：代入上式，再由(A)，歸并項(xiàng)可分別得：將和*練習(xí)：如何進(jìn)行第三階波勢自由面條件（2）推導(dǎo)2023/2/670直接求解水波邊值問題十分困難的，因?yàn)椋?/p>

1.自由面運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)條件都是非線性的。

2.自由面運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)條件必須在未知的自由面上滿足。

1.非線性的自由面運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)條件可以線性化。

2.自由面運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)條件可以固定在靜水面上滿足。微幅波(也稱Airy波，即波幅與波長相比為小量，

)

1.水波邊值問題的線性化第二章微幅波理論2023/2/671

在微幅波情況下，波面起伏η

是小量，波浪中流體質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動速度也是小量，它們自乘或互乘所得的二階以上的項(xiàng)可作為高階小量而略去。由于η

是小量，原來要在未知的自由面z=η

上滿足的邊界條件也可以改在靜水面z=0上來滿足。因此：

自由面運(yùn)動學(xué)條件(在z=η上)(在z=0上)2023/2/672

自由面動力學(xué)條件(在z=η上)(在z=0上)

由自由面運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)條件(在z=0上)可以得到：(在z=0上)2023/2/673流場動力學(xué)條件及壓力分布公式：動壓力(dynamicpressure)靜壓力(hydrostaticpressure)2023/2/674

上面三個方程求解，可采用分離變量法對速度勢進(jìn)行求解(separationofvariables)。Airy波速度勢的求解結(jié)果為：

當(dāng)水深趨于無限，即，此時的速度勢為：

2.微幅波問題的數(shù)學(xué)解752）邊值問題的求解（分離變量法）可令，代入方程分離變量,可得進(jìn)一步設(shè)，為方便計(jì)，將仍取，令可得：1）定解（邊值）問題的提法分析：右行波周期函數(shù)76分析（續(xù)）：對于中的第一個方程，考慮

為周期函數(shù)，故須取，由此解得：

進(jìn)一步求解，可得：

代入

可得：右行波2）邊值問題的求解77分析（續(xù)）：故最終可得

再令

則

可取，再引入，代入條件得：，即

2）邊值問題的求解2023/2/678

由動力學(xué)條件，可得Airy波流場壓力分布為：

由自由面動力學(xué)條件，可得Airy波面為：2023/2/679

對Airy波的解，涉及四個參數(shù)(A,k,c,ω)，實(shí)際上由于色散關(guān)系和波速公式，k和ω及(k,c,ω)