海洋工程环境学新03.学

1、1海洋工程环境学Environmental Mechanics of Ocean Engineering2复习 海洋环境与结构物的相互作用 3 大规模风系：30.2 海洋环境因素分析中规模风系：40.2 海洋环境因素分析全球洋流分布图5第三节海洋环境因素分析波浪61. 海洋环境因素分析-波浪 波浪运动是指海洋水表面在外界因素(风)作用下以及在重力作用下的运动。 波浪运动是随机的，但是，并非杂乱无章，有其“内在规律”，或者说，规律寓于大量的不确定的变化之中。 表征随机现象的变量为随机变量，不能以确定性的数字标定，只能以统计平均或概率的数学语言来描述。应用随机过程和概率论的数学方法，讨论波浪运动的

2、规律，寻求波浪运动的数字特征，用以区别不同类型的随机波浪运动。 规则波 随机波7波浪运动的分类1. 海洋环境因素分析-波浪 8波浪运动的分类 表面张力波： H=12mm, T=0.1s 风生波：H=25m (H/L=0.03-0.05) (37m), 0.130s 涌浪：P=1030s，H/L=0.010.02 海啸波：(24m) 风暴波：孤立波，持续几到几十个小时 假潮：发生在河湾，湖泊与港湾 潮汐：周期为12.42小时(太阴半日潮)，12.00小时(太阳半日潮) 内波：发生在不同密度的分界面上。1. 海洋环境因素分析-波浪 9波浪运动的成因1. 海洋环境因素分析计算 在风的作用下，海浪自风

3、取得能量又受内、外部阻力的作用，若海浪损失的能量小于取得的能量，海浪处于发展阶段，海面波动随时间变剧，反之，海浪逐渐减小。1. 海洋环境因素分析-波浪 10波浪运动的成因1. 海洋环境因素分析计算 1. 海洋环境因素分析-波浪 11风速15m/s，波浪成长与风时、风区的关系。1. 海洋环境因素分析计算 1. 海洋环境因素分析-波浪 1290.1 海洋环境因素分析没有其它资料时，可近似认为 浪级风级-11390.1 海洋环境因素分析14波浪运动的随机性右图是根据从两架飞机上拍摄的海面立体照片而绘制的两张海面等高线实例。可以看出，波浪的特征在时间、空间的变化都非常复杂的。上述两张图是从连续拍摄的照

4、片中选出的等高线图，虽然看上去极不相同，但在统计上却可以认为它们是表示大致相同的海面状态的两个样本。1.2 波浪运动的统计特征15长期分布和短期分布在讨论海浪外观特征中常常用到统计分析和概率分布的名词，二者是有区别的。统计分析是以实测资料为依据，对观测的海浪要素作出直方图或累积频率曲线，并以经验方法外推概率曲线来预估未来可能发生的事件。概率分布则是在理论的海浪模型基础上，以概率论为工具，推导分析各种不同事件的出现概率。多年海浪的概率分布属于长期分布，本节主要讨论海浪的短期分布规律。所谓短期是指海浪过程的一个完整的样本，若样本中包含有数百个大小起伏的波浪，时段长度为1030分钟，则该样本基本上反

5、映了随机海浪总体的概率特性。1.2 波浪运动的统计特征16单个波浪的特征描述 波高 H： 波峰到相邻部分波谷的垂直空间距离； 过零周期 Tz： 上过零点到相邻上过零点的水平时间距离； 波面瞬时升高 (t)： 在时间轴上 t 时刻的波面垂直空间距离； 波向：波浪传播运动的主方向。1.2 波浪运动的统计特征17采样： 波高 H 和周期 TZ：通常的海洋观测资料中，波浪的观测时间为每隔3小时一次，每次10-20分钟，最少记录单波100个。 i = 1,2,N; 1.2 波浪运动的统计特征18采样样本实例： 波高 H 和周期 TZ：1.2 波浪运动的统计特征19统计特征一平均值：表示波动的算术平均水平

6、。1.2 波浪运动的统计特征20统计特征二均方根值： 均方根波高和均方根周期：表示波动的能量平均水平。1.2 波浪运动的统计特征21统计特征三有义值：H*j 为Hi 的有序排列，自最大端向前取总数的三分之一的波高。表示波动的可视平均水平。1.2 波浪运动的统计特征22对例子中的波浪观测数据有：1.2 波浪运动的统计特征有义值：23海浪模型为了从理论上描述随机海浪的特性，在实测资料的基础上，不少学者建立了海浪模型。目前应用较多的是Longuet-Higgins提出的一种海浪模型，按该模型的假定，海上某一固定点的波动是由许多位相不同，振幅也不同的余弦波叠加而得的。如下图。其中 为第n个余弦组成波的

7、振幅， 为其圆频率； 为其随机相位。1.3 波浪运动的随机特征241.3 典型海况波浪的随机特征1) 波动过程关于静止水面基本对称，上波峰大致等于下波峰，或波高等于2倍上波峰或下波峰。 波浪运动的随机特征1.3 波浪运动的随机特征252) 波动的周期亦呈随机性，但是大体上等于平均周期。这样， 可以认为波动的能量高度集中于某一个频率，即所谓窄带过程，其能量谱为窄谱 (线谱)。3) 在波动的一个周期中只有一峰一谷。 4) 瞬时值关于时间的平均值近似为零 静止水面 (自由表面)。1.3 波浪运动的随机特征265) 随机变量总体关于时间的平均值大体上同时间无关，亦同子样无关。以波高为例：1.3 波浪运

8、动的随机特征 具有上述物理与数学特征的随机过程，在数学上称作为： 平稳的各态历经的随机过程。27 波浪运动的概率密度函数1.4 波高的概率特征以Longuet-Higgins海浪模型为依据，波面具有高斯正态分布的概率密度函数其中 为方差，以此式为依据可导得波面极值，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为高斯分布，根据Kinsman(1960)的观测，实际海浪的波面高度的概率密度分布与高斯分布十分接近，如图所示。当然，严格地讲它不是正态分布(高期分布)，更接近于偏态的Gram-Charliter分布。但是，一般海浪的研究中，仍假定它是正态分布的。大量工程应用证明了该法的有效性。1.4 波高的概率特征29 波浪运动的概率密度函数 若波浪是窄带的平稳的各态历经的随机过程，波高的概率密度函数为瑞利函数:1.4 波高的概率特征30 对波高的概率密度函数进行积分得到波高的累计概率分布函数为:1.4 波高的概率特征313. 特征波高 利用平稳的各态历经的随机过程的概率密度函数可以确定各种特征波高。1) 零波高波高为零的事件的概率密度或累计概率等于零。海面永不平静。1.4 波高的概率特征322) 拥有最大概率密度的波高1.4 波高