水波理论ppt课件

1、,流体力学,第6章 水波理论（ Chapter 6. Water Wave Theory）,本章内容：讨论重力场中具有自由面的水波（水表面波或重力波）运动，重点讲述线性简谐波的数学描述、运动特性和能量概念。为研究非线性波打下基础。,波动的物理本质： 恢复力与惯性力的动态平衡。,波动的物理本质： 恢复力与惯性力的动态平衡。,Chapter 6. Water Wave Theory,2,海波： 潮汐波(tidal day)：太阳和月亮引力 地震津波(tsunami )：海底摇荡 涌浪(ground swell) : 暴风停止后的余留 风波(wind wave )：阵风作用,工程中常见的波： 声波(

2、sound wave): 微弱压缩波 激波(shock wave): 有限强度压缩波 水波(water wave): 水表面波（g） 内波(internal wave)：密度分层 毛细波(capillary wave): 表面张力(ripple),INTRODUCTION,风波和船行波的恢复力是重力,海洋工程（Ocean Engineering) 海上钻井平台、海工结构物、海底管线、岸堤坝和港口设计； 海浪发电。 船舶工程(Naval Architecture) 兴波理论（wave making,）、兴波阻力（wave resistance） 船舶摇摆（seakeeping）、抨击（slamm

3、ing）、武器出入水 船舶操纵（ship manoeuvering） 水利工程(Hydraulic Engineering) 水坝设计、明渠流动、河流动力学（川流、水跃）,应用(Applications)波浪与结构物的相互作用,4,6.1 水波问题的基本方程和定解条件,基本假定：,运动无旋,Kelvin condition,理想流体 不可压 重力场 不计表面张力,6.1.2 边界条件及其线性化,1,假定,2,或,自由面条件的线性化（微幅波）：,作用于自由面和水中的两种扰动引起波动,线性水波问题定解条件：,线性波物相互作用问题定解条件：,6.1.3 初始条件(initial condition)

4、,设平面驻波的速度势：,6.2.1 有限水深平面驻波的解（ ）,色散关系：,通解（基元波叠加）：,6.2 平面驻波周期性解,波动圆频率,波动初相位,分离变量,柱波周期性解：,6.2.2 平面驻波的运动特征,波 面:空间上是正弦曲线，时间上在 间周期性上下振动。 表面性：离水面越远，波动衰减，即波动仅限于水面附近区域。 节 点：波面与水平面的交点位置不随时间变化，波形不向左右传播，故称驻波。,驻波实例：常常发生于有界域(容器、油船)或半无界流体域（垂直堤岸附近海域）内。,驻波运动特征：,6.2.3 无限水深平面驻波,(色散关系),（progressive wave）,6.3 平面进行波,波形：,

5、波峰位置,色 散 波,6.3.1 波形及波速,海洋中的潮汐波与河流中的水跃（水库泻水）均属于长波，这时流体质点运动的垂向速度与水平速度相比是个小量。,无限深水波(deep water wave )：,波越长，则跑得越快，周期越长,浅水波（shallow water wave ）：,水底深度 h 对波浪运动的影响：,色 散 波,无限深水波,记 、 、 为三种波的波速， 、 为无限和有限深水波的波长。,有限深水波,浅水波（长波）,无限深、有限深和浅水波的比较：,流体质点作简谐运动（不传播）；质点速度随深度以指数递减。,质点运动速度：,质点运动轨迹：,6.3.2 质点运动速度和轨迹,轨迹曲线,波浪中

6、的质点 在运动过程中经过不同的位置 时，它的压力保持不变。 即：平衡时刻位于平面 上的质点组成等压面，在波动过程中它们仍为等压面。这些等压面称为次波面，由 决定,6.3.3 压力分布（无限深）,波群的波长和波速:,无限深水波：,有限深水波：,浅水波：,6.4 波群与群速度（wave group & group velocity),图6.5.2 船波系,船波运动压力点源的兴波，不同方向波叠,船压力点,压力点兴波图形波峰略弯 曲的横波系、散波系。,横波波长： 船波限于顶角 为的扇形区 域内（Kelvin角 ）。,6.5 Kelvin波系船波,6.6.1 波的能量,总能量：,单位长度内波的平均总能量

7、：,6.6 波能的转移及兴波阻力,单位时间波转移能量压力对流体作的功。,一个周期内压力所作的功：,单位时间内的平均功：,能量转移的速度等于波的群速度。,无限水深进行波： ，能量转移速度为波速的一半。,6.6.2 能量的转移,船速： 兴波： ， ， 无限大控制体内能量守恒：,船兴波的能量来自于船，因此船航行时受到兴波阻力，简称波阻。,对于有限水深： 对于无限水深：,6.6.3 兴波阻力（wave resistance）二维船,初相位 可选用均布于 之间的随机量。 短峰波：三维馒头波。可由传播方向不同的长峰波叠加而成 一般地，限方向角 。 水池及造波机：Towing Tank, Seakeeping Basin.,不规则波：在空间上和时间上都是随机的（风浪）。 波面测量浪高仪 长峰波：二维波 长峰不规则波：由方向相同的多个长峰规则波叠加而成,规则波：余弦波，其波幅、波长和波频都是确定的（涌浪）。,6.7 不规则波,船模实验水池（ HUE） The ship model water basin of HUE,长*宽*深=108*7*3.5米,水池拖车 （车速: 6.5m/s) The new tow carriag