Sóng gió - Vũ Thanh Ca

Giáo trình này được viết chung cho sinh viên năm thứ ba của khoa kỹ thuật bờ biển Trường đại học Thuỷ lợi. Giáo trình này cũng có thể được dùng để giảng dạy cho các chương trình sau đại học của các ngành liên quan. Ngoài ra, nó còn có thể được dùng làm sách tham khảo …
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Sóng gió - Vũ Thanh Ca Trường Đại học Thuỷ lợi Hà nội SÓNG GIÓ Vũ Thanh Ca Tháng 4 năm 2005 Lời giới thiệu Giáo trình này được viết chung cho sinh viên năm thứ ba của khoa kỹ thuật bờ biển Trường đại học Thuỷ lợi. Giáo trình này cũng có thể được dùng để giảng dạy cho các chương trình sau đại học của các ngành liên quan. Ngoài ra, nó còn có thể được dùng làm sách tham khảo trong việc nghiên cứu sóng gió phục vụ cho việc khai thác và bảo vệ nguồn lợi biển. Giáo trình này được viết với tài trợ của Chính phủ Hà lan trong khuôn khổ dự án HWRU/CE. Tác giả xin chân thành cảm ơn GS J. A. Battjes về những ý kiến đề xuất cải tiến nội dung cho giáo trình. Lời cảm ơn cũng xin được gửi đến nhiều người khác như GS-TS Lê Minh Truyền, Hiệu trưởng Trường Đại học Thuỷ lợi, PGS-TS Vũ Minh Cát, GS K. d’Angremond, TS Van de Graaf, Ông C. Pilarczyc, TS J. Van Dijk, cô Van der Vast và nhiều đồng nghiệp khác tại Trường Đại học Thuỷ lợi Hà nội về sự giúp đỡ nhiệt tình của họ trong thời gian tác giả viết và chỉnh lý giáo trình. MỤC LỤC Trang 1 LỜI GIỚI THIỆU 1 1.1 Mục đích và nội dung của bài giảng 1 1.2 Sóng đại dương 1 1.3 Các định nghĩa cơ bản 3 1.4 Sóng ngắn và sóng dài 5 2 CÁC PHƯƠNG TRÌNH CƠ BẢN CỦA CƠ HỌC CHẤT LỎNG 7 2.1 Các phương pháp mô tả dòng chảy của chất lỏng 7 2.2 Đạo hàm thời gian 7 2.3 Phương trình thể tích kiểm tra 7 2.4 Định luật bảo toàn vật chất và phương trình liên tục 10 2.5 Định luật bảo toàn động lượng và phương trình chuyển động 10 2.5.1 Phương trình chuyển động của Cauchy 11 2.5.2 Chuyển dịch, quay và vận tốc biến dạng 13 2.5.3 Mối liên hệ giữa vận tốc biến dạng và ứng suất – Phương trình 17 Navier-Stokes 2.5.4 Chất lỏng lý tưởng 18 3 LÝ THUYẾT TUYẾN TÍNH VỀ SÓNG BỀ MẶT TRONG VÙNG NƯỚC CÓ 21 ĐỘ SÂU KHÔNG ĐỔI 3.1 Các phương trình cơ bản và điều kiện biên 21 3.1.1 Các giả thiết trong lý thuyết sóng tuyến tính 21 3.1.2 Điều kiện không nén được – Phương trình liên tục 22 3.1.3 Các phương trình động lượng 22 3.2 Lời giải giải tích của bài toán sóng trọng lực bề mặt 24 3.3 Mối liên hệ phân tán của chuyển động sóng 29 3.4 Chuyển động của hạt nước và áp suất 30 3.5 Vận tốc nhóm và năng lượng sóng 34 3.6 Năng lượng của sóng phức hợp 38 4 NHỮNG LÝ THUYẾT SÓNG PHI TUYẾN CHO VÙNG NƯỚC CÓ ĐỘ SÂU 41 KHÔNG ĐỔI 4.1 Giới thiệu chung 41 4.2 Lý thuyết Stokes 41 4.2.1 Mặt cắt bề mặt nước 42 4.2.2 Vận tốc và quỹ đạo hạt nước 45 4.2.3 Mối liên hệ phân tán và vận tốc pha 46 4.2.4 Hàm lượng năng lượng và sự vận chuyển năng lượng 46 4.3 Lý thuyết Cnoidal 46 4.3.1 Mặt cắt bề mặt nước 48 4.3.2 Vận tốc và quỹ đạo hạt nước 48 4.3.3 Vận tốc pha 49 4.3.4 Hàm lượng năng lượng và sự vận chuyển năng lượng 49 4.4 Các lý thuyết số trị 49 4.5 Giới hạn áp dụng của các lý thuyết khác nhau 50 i 5 CÁC ĐẶC TRƯNG DO SÓNG GIÓ TẠO TA 52 5.1 Cơ chế tạo sóng do gió 52 5.1.1 Profile vận tốc gió và ứng suất gió trên mặt biển khơi 52 5.1.2 Các lý thuyết và cơ chế tạo sóng gió 53 5.1.3 Sóng gió và sóng lừng 57 5.2 Mô tả sóng gió 61 6 CÁC ĐẶC TRƯNG THỐNG KÊ CỦA SÓNG GIÓ 66 6.1 Các phương pháp thống kê dùng mô tả sóng ngẫu nhiên 66 6.1.1 Sóng mặt đại dương như là một hàm thống kê 66 6.1.2 Các định nghĩa và khái niệm cơ bản của phân tích chuỗi thời gian 69 6.1.3 Các cơ sở của việc mô tả phổ sóng đại dương 75 6.2 Mô tả sóng gió bằng phổ 76 6.2.1 Phổ năng lượng của sóng gió 76 6.2.2 Chiều rộng của phổ và dạng phổ 81 6.2.3 Các phổ tần số điển hình 86 6.2.4 Các hàm phổ hướng 93 6.3 Mô hình pha ngẫu nhiên 98 6.4 Xác định ...