《海洋工程波浪力學(xué)》是海岸工程、船舶工程、海洋工程等相關(guān)專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課,是研究各種波浪理論及波浪對(duì)海洋工程結(jié)構(gòu)物作用力的分析和計(jì)算方法的一門科學(xué)!逗Q蠊こ滩ɡ肆W(xué)》主要包括以下內(nèi)容:(1)波動(dòng)方程;(2)線性波理論;(3)非線性波浪理論;(4)波浪的傳播與變形;(5)隨機(jī)波浪理論;(6)作用在小尺度結(jié)構(gòu)物上的波浪力;(7)作用在大尺度結(jié)構(gòu)物上的波浪力;(8)附錄。
《海洋工程波浪力學(xué)》可作為船舶、海洋、海岸、水利等專業(yè)碩士研究生及高年級(jí)本科生的教材,亦可作為相關(guān)專業(yè)科研人員和工程技術(shù)人員的參考書。
第1章 波動(dòng)方程
1.1 流體力學(xué)基本方程
1.1.1 連續(xù)方程
1.1.2 運(yùn)動(dòng)方程
1.1.3 理想流體非定常無旋運(yùn)動(dòng)的拉格朗日積分
1.2 波浪運(yùn)動(dòng)基本方程及定解條件
1.2.1 勢(shì)波理論
1.2.2 基本方程與定解條件
第2章 線性波理論
2.1 常深度小振幅波理論
2.1.1 邊界條件的簡(jiǎn)化
2.1.2 基本方程的解
2.2 線性波的特性
2.2.1 波面方程
2.2.2 彌散關(guān)系
2.2.3 水質(zhì)點(diǎn)的速度和加速度
2.2.4 水質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡
2.2.5 波動(dòng)壓強(qiáng)
2.2.6 波動(dòng)能量
2.3 線性波的兩種極限情況
2.3.1 深水波
2.3.2 淺水波
2.3.3 三種波浪的匯總
2.4 波浪的疊加
2.4.1 駐波
2.4.2 波群
2.5 平面斜向波
第3章 非線性波浪理論
3.1 斯托克斯波浪理論
3.1.1 控制方程及基本求解理論
3.1.2 斯托克斯二階波
3.1.3 斯托克斯三階波
3.1.4 斯托克斯五階波
3.1.5 Stokes五階波中超越方程的求解
3.2 流函數(shù)波浪理論
3.3 橢圓余弦波
3.3.1 橢圓余弦波的主要結(jié)果
3.3.2 橢圓余弦波的極限情況
3.4 孤立波
3.5 波浪理論的適用性
第4章 波浪的傳播與變形
4.1 波浪在深水中的彌散與傳播
4.2 波浪的淺水效應(yīng)
4.2.1 波浪守恒
4.2.2 波浪淺水變形
4.2.3 波浪的折射
4.3 波浪的反射
4.4 波浪的繞射
4.5 波浪的破碎
4.5.1 波浪破碎原因
4.5.2 破碎波類型
4.6 復(fù)雜地形情況下的波浪傳播與變形數(shù)值計(jì)算
4.6.1 Boussinesq類方程
4.6.2 緩坡方程
4.6.3 譜模型
4.6.4 非線性淺水方程模型
4.6.5 模型比較分析與應(yīng)用范圍推薦
4.6.6 應(yīng)用案例介紹與分析
第5章 隨機(jī)波浪理論
5.1 海浪的觀測(cè)與描述
5.1.1 海浪是隨機(jī)過程
5.1.2 隨機(jī)變量及其統(tǒng)計(jì)特征
5.2 隨機(jī)海浪的統(tǒng)計(jì)特征
5.2.1 波要素及特征波定義
5.2.2 波高分布
5.2.3 最大波高分布
5.2.4 周期分布
5.2.5 波高與周期聯(lián)合分布
5.3 隨機(jī)波浪的譜特性
5.3.1 波浪譜
5.3.2 常見的波浪頻譜
5.3.3 方向譜
5.3.4 譜與海浪要素的關(guān)系
5.4 隨機(jī)波浪的數(shù)值模擬
5.4.1 二維不規(guī)則波的數(shù)值模擬
5.4.2 三維波面的數(shù)值模擬
5.5 海浪的長期統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律
5.5.1 波浪散布圖
5.5.2 年極值波高的長期分布
5.5.3 重現(xiàn)期
5.5.4 設(shè)計(jì)波浪要素
5.5.5 遭遇概率
第6章 作用在小尺度結(jié)構(gòu)物上的波浪力
6.1 概述
6.2 海流中的圓柱體
6.2.1 勢(shì)流理論
6.2.2 粗糙圓柱體
6.2.3 傾斜圓柱體
6.2.4 繞流升力
6.3 作用在直立柱體上的波浪力
6.3.1 莫里森方程
6.3.2 作用在單柱體上的波浪力
6.3.3 線性波作用下直立圓柱體上的波浪力
6.3.4 單柱體上的橫向力
6.3.5 群柱體上的波浪力
6.4 水動(dòng)力系數(shù)
6.4.1 水動(dòng)力系數(shù)的確定方法
6.4.2 影響因素
6.4.3 規(guī)范建議值
6.5 莫里森公式的修正
6.5.1 傾斜柱體上的波浪力
6.5.2 海底管道上的作用力
6.5.3 自由液面影響
6.6 波流共同作用下的波浪力計(jì)算
6.6.1 水流對(duì)波浪運(yùn)動(dòng)特性的影響
6.6.2 波浪力的計(jì)算
6.7 隨機(jī)波浪力的計(jì)算
6.7.1 特征波法
6.7.2 譜分析法
第7章 作用在大尺度結(jié)構(gòu)物上的波浪力
7.1 繞射理論
7.1.1 繞射理論基本概念
7.1.2 線性繞射問題的控制方程
7.1.3 線性繞射波浪力
7.1.4 繞射系數(shù)
7.2 大直徑直立圓柱體波浪力分析
7.2.1 控制方程及速度勢(shì)的求解
7.2.2 大直徑柱體上的線性波浪力
7.3 任意形狀三維結(jié)構(gòu)物上的波浪力
7.3.1 格林函數(shù)G(x,y,z;ξ;η;ζ)
7.3.2 源強(qiáng)度函數(shù)f(ξ,η,ζ)的確定
7.3.3 Fredholm積分方程的數(shù)值解
7.3.4 波浪力的計(jì)算
7.4 大尺度水下潛體上的波浪力
7.4.1 弗汝德一克雷洛夫假定法
7.4.2 長方潛體上的波浪力
7.4.3 直立圓柱潛體上的波浪力
7.4.4 水平圓柱潛體上的波浪力
7.4.5 水平半圓柱潛體上的波浪力
7.4.6 半球潛體上的波浪力
7.5 固定物體上的二階波浪力
7.5.1 二階繞射問題控制方程
7.5.2 作用在結(jié)構(gòu)物上的波浪力
7.S.3 二階波浪力
7.6 作用在大型浮體上的波浪力
7.6.1 坐標(biāo)系
7.6.2 線性勢(shì)流理論
7.6.3 波浪作用力
7.6.4 波浪力作用下浮體結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)方程
附錄
附錄A 泰勒級(jí)數(shù)
附錄8 三角函數(shù)
附錄C 雙曲函數(shù)
附錄D 雅可比橢圓函數(shù)
附錄E 貝塞爾函數(shù)
附錄F Matlab函數(shù)
爹考文獻(xiàn)
第4章 波浪的傳播與變形
近岸區(qū)由于水深較淺,波浪及波生流對(duì)海底泥沙運(yùn)動(dòng)起著重要作用。在多數(shù)情況下,波浪是航道港池的淤積、岸灘侵蝕、構(gòu)筑物基礎(chǔ)淘刷的重要影響因素。同時(shí),波浪能量由深水區(qū)分布在較深水體被壓縮至近岸區(qū)較淺水體內(nèi),能量密度急劇變化,對(duì)近岸區(qū)構(gòu)筑物作用力較大,為構(gòu)筑物穩(wěn)定性的重要影響因素之一,因此在設(shè)計(jì)工程構(gòu)筑物時(shí),首先要做的就是確定設(shè)計(jì)波要素。
通常,深水區(qū)由于水底對(duì)海表面波浪的影響較小,可以忽略,同時(shí)因距離岸線較遠(yuǎn),受岸線形狀影響小,因此,一般情況下,深水波浪因受干擾因素較少,距離較近的不同測(cè)站間的資料相關(guān)性相對(duì)較好。同時(shí),深水波也較容易通過觀測(cè)或者預(yù)報(bào)等手段獲取。但深水波傳到近岸區(qū)擬建工程地點(diǎn)過程中,波浪要素會(huì)發(fā)生演變,甚至破碎,本章主要圍繞波要素的演變過程展開介紹。
波浪一般不是正向入射海岸,且近岸海底地形也是不規(guī)則的,要實(shí)現(xiàn)精確分析波浪在淺水區(qū)的變形,需要采用三維手段,一般難以給出解析解。為了簡(jiǎn)單起見,本書僅給出簡(jiǎn)化地形條件下,基于微幅波理論的二維波浪傳播變形。針對(duì)復(fù)雜地形條件下的波浪傳播變形,本章最后一節(jié)簡(jiǎn)要介紹與分析了目前工程界較為常用的幾種類型的波浪傳播變形數(shù)值模型。
4.1 波浪在深水中的彌散與傳播
當(dāng)海面的風(fēng)力迅速減小、平息或風(fēng)向改變后,風(fēng)浪在離開風(fēng)區(qū)后繼續(xù)向前傳播,其波譜所包含的頻率范圍和能量將不斷變化。隨著傳播距離增大,風(fēng)浪逐漸轉(zhuǎn)化為涌浪。兩者的主要區(qū)別是,風(fēng)浪的頻譜范圍寬廣,從周期為0.1S的短周波到周期為15~20S的長周波都有顯著能量分布,但典型涌浪頻譜范圍窄得多,其波形接近于簡(jiǎn)單的余弦波。涌浪在傳播過程中的顯著特點(diǎn)是波高逐漸降低,波長、周期逐漸變大,從而波速變快。這一現(xiàn)象,一方面是由于實(shí)際海水存在黏性,使得波浪能量不斷消耗,另一方面則是因?yàn)樵趥鞑ミ^程中發(fā)生的彌散和角散作用所致。實(shí)際的海浪可視為由許多不同周期和振幅的組成波構(gòu)成。這些組成波在傳播過程中,周期大的波速快,周期小的波速慢,于是使原來疊加在一起的波動(dòng)分散開來。
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