海浪、海风及海流详解.ppt

海浪、海风及海流 自动化学院 船舶控制系统实验室 课程内容 课程内容 本章内容 平面进行波概念 随机海浪概念 随机海浪统计规律及海浪功率谱概念 海风和海风的谱分析—理解 海流—理解 0 概述 前言 船舶在海面上行驶 海浪--〉海风---〉海流 影响 重点：海浪的影响 最常见的海浪---风浪 风浪是不规则的 充分成长的海浪----〉平稳随机过程 第一部分 海浪 海浪要素 2.1 平面进行波 流体力学的假设 流体是不可压缩的 流体运动是无旋有势的 波浪是微幅波 海浪规则波 规则波可由下面的波形方程描述： ζ = ζa cos(kξ +/- wt) 平面进行波分析 分析 在某一时刻 t=t0 （可设t0=0） ζ = ζa cos(kξ - wt) = ζa coskξ 在海面某一固定的点ξ0， 设ξ0=0 ζ = ζa cos(kξ - wt) = ζa coswt 基本关系 根据流体力学的知识，如果水深达于λ/2的波，如果2ζa/λ≤0.05。 波长、周期和波速的关系 波倾角 波倾角： 波面上的任意一点的切线与ξ轴的夹角， 波面角 海浪平面进行波-船体坐标系 将地面坐标系中的平面进行波---〉 船体坐标系 水面下的波浪 波浪也存在于水下，根据流体力学的知识，波浪随水深变化 波幅随水深呈指数率下降，上式表示的波面为次波面，当水深较大时，该处的水的质点波动较水表面处的小。 当z＞λ/2，该处的水基本上没有波动了。 史密斯效应 在考虑海浪对船舶的作用力和作用力矩时，如果对于吃水比较的大的船舶，必须考虑史密斯效应。 波浪作用 波的传播 波浪作用 水波的传播 深水波的水质点运动 波浪的概念 波浪的概念： 风吹过海面时，通过压力和摩擦作用将能量传递给海水，使海水质点离开平衡位置作圆周运动，海面随之发生周期性的起伏。这种海面周期性的起伏，就是波浪。 波浪特性 波浪的能量： E=K1LH2/T E: 波浪的能量 K1：常数，在深水区为0.0625?g 0.125 ? g L: 波长 H: 波高 T: 周期 由此可以看出波浪能量的大小决定于波浪的大小，特别是波高的大小。 波浪作用浅水波及其变形 浅水波的概念： 当外海的波浪进入水深小于其波长二分之一的水域时，海水的波动触及海底，水质点与海底相互作用，波浪特点和性质发生变化。这种性质发生了变化的波浪称为浅水波。 2.2 随机海浪 前言 定义 上节中将海浪作为规则波 海面上的海浪极其复杂，为不规则的随机波 风浪不但会向一个方向传播，还会向其他方向传播，大小形状不等的小丘。 短峰波与长峰波 三元不规则波-----短峰波 二元不规则波-----长峰波 随机过程 成熟期海浪 成熟期海浪—平稳随机过程 随机扰动下的控制理论 风浪成长与风时、风区的关系 常言道“风大浪高”，也有“无风不起浪”等说法，这是对风与浪关系的一种描述。但这只是部分正确。 人所共知，小小的水湾中，那怕再大的风也决不会掀起汪洋大海中那种惊涛骇浪，因为它受到了水域的限制。 另外，即便是在辽阔的海洋中，短暂的风也不会产生滔天巨浪。 可见风浪的成长与大小，不是只取决于风力，而是与风所作用水域的大小和风所作用时间的长短有密切关系。 风时/风区 风时：指状态相同的风持续作用在海面上的时间。 风区：是指状态相同的风作用海域的范围。习惯上把从风区的上沿，沿风吹方向到某一点的距离称为风区长度，简称为风区。 当然，风浪的成长还与其它因子有关，例如海洋水深、地形、岸线形状等。在此我们仅就风时、风区与其成长的关系加以描述。 风时/风区 假定风速一定的风沿Ox方向吹，O点为风区上沿，OA为风区内某点A的风区长度。观察A点风浪成长以及其它各处风浪成长的过程。 最小风时/最小风区 在定常风的作用下，对应于风区内某点，风浪达到定常状态所用的时间是一定的，这段时间称为最小风时。或者说，对应于某一风区（长度），风浪成长至理论上最大尺度所经历的最短时间称为最小风时。 当实际风时一定时，当然对应于某一风区（长度）内的波浪达到定常状态，此一风区长度称为最小风区。 风时/风区/波高 关系 成熟期海浪 一定的成长时间和海域，当在速度为Vwd的风作用下，使海浪达到成熟的最小风区和最小风时与Vwd的关系。 随机不规则波海浪 概念：有义波高 有义波高定义： 当记录到的海浪时间曲线上，依次取3n个波高值，从大到小进行排列，取前面的n个幅值进行平均。 2.3 随机海浪的统计特