水波理论.ppt

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,流体力学,第6章水波理论（Chapter6.WaterWaveTheory）,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。

Chapter6.WaterWaveTheory,海波：

潮汐波（tidalday）：

太阳和月亮引力地震津波（tsunami）：

海底摇荡涌浪（groundswell）:

暴风停止后的余留风波（windwave）：

阵风作用,工程中常见的波：

声波（soundwave）:

微弱压缩波激波（shockwave）:

有限强度压缩波水波（waterwave）:

水表面波（g）内波（internalwave）：

密度分层毛细波（capillarywave）:

表面张力（ripple）,INTRODUCTION,风波和船行波的恢复力是重力,海洋工程（OceanEngineering）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（NavalArchitecture）兴波理论（wavemaking,）、兴波阻力（waveresistance）船舶摇摆（seakeeping）、抨击（slamming）、武器出入水船舶操纵（shipmanoeuvering）水利工程（HydraulicEngineering）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,6.1水波问题的基本方程和定解条件,基本假定：

运动无旋,Kelvincondition,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（initialcondition）,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）,（progressivewave）,6.3平面进行波,波形：

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（deepwaterwave）：

波越长，则跑得越快，周期越长,浅水波（shallowwaterwave）：

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（wavegroup&groupvelocity）,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）。

6.5Kelvin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：

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（waveresistance）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：

TowingTank,SeakeepingBasin.,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）TheshipmodelwaterbasinofHUE,长*宽*深=108*7*3.5米,水池拖车（车速:

6.5m/s）Thenewtowcarriage（5March2001）,水池拖车（车速:

5m/s）Theoldtowcarriage,四自由度适航仪,四自由度平面运动机构及数据采集系统,Waterbasin,Waterbasin,NTNUMarineBasin,