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1、LECTURE NOTESLECTURE NOTES： 船舶在波浪中的运动理论Theory of Ship Motions in Waves LECTURE NOTES ：OCEAN WAVE THEORY 2CH2. CH2. 海洋波浪理论海洋波浪理论 OceanOcean WaveWave TheoryTheory2.1 海洋波浪概述2.2 水波理论基础定解问题、线性与非线性水波、水波运动特征2. 3 风浪风浪及其描述、海况、典型浪谱、统计特征本章内容：LECTURE NOTES ：OCEAN WAVE THEORY 3 2.1 2.1 海洋波浪概述海洋波浪概述 海洋中的波动现象海洋中的波
2、动现象Brief introduction to Ocean Waves Brief introduction to Ocean Waves 波动类型波动类型物理机制物理机制典型周期典型周期存在区域存在区域声声 波波可压缩性可压缩性1010-1-11010-5-5秒秒海洋内部海洋内部毛毛 细细 波波表面张力表面张力1010-1-1秒秒空气与海水空气与海水 的分界面的分界面 风浪和涌浪风浪和涌浪重重 力力1 12525秒秒地震津波地震津波重重 力力1010分钟分钟2 2小时小时内内 波波重力和密度分层重力和密度分层2 2分钟分钟1010小时小时密度剧变的温跃层密度剧变的温跃层风风 暴暴 潮潮重力
3、和地球自转重力和地球自转1 11010小时小时海岸线附近海岸线附近潮潮 波波重力和地球自转重力和地球自转12122424小时小时整个大洋层整个大洋层行行 星星 波波重力、地球自转以及纬度重力、地球自转以及纬度 或海洋深度的变化或海洋深度的变化（100100天）天）常见的海洋中的波动现象LECTURE NOTES ：OCEAN WAVE THEORY 4Wave periodSurface tensiongravityRestoring:Coriolis forcewindearthquakemoon & sunForcing:Relative energy海洋表面波动成因及波能频谱关系（Kin
4、sman，1965） 2.1 2.1 海洋波浪概述海洋波浪概述 海洋表面波动海洋表面波动LECTURE NOTES ：OCEAN WAVE THEORY 5随机风风区内的风区内的强制波（随机波）强制波（随机波） 风区外的风区外的自由波（涌浪）自由波（涌浪） 过渡区的过渡区的混合浪、破碎波混合浪、破碎波 近岸区的近岸区的拍岸浪、破碎波、破后波拍岸浪、破碎波、破后波波 陡：H/ 相对波高：H/h 相对波长： h/Random WaveAriy WaveStokes WaveCnoidal WaveSolitary Wave 水 体 2.1 2.1 海洋波浪概述海洋波浪概述 波浪类型与表征波浪类型与
5、表征LECTURE NOTES ：OCEAN WAVE THEORY 6 2.1 2.1 海洋波浪概述海洋波浪概述LECTURE NOTES ：OCEAN WAVE THEORY 7船波船波船体运动压力船体运动压力点源兴波点源兴波的不同方向上的叠加：的不同方向上的叠加：横波波长：横波波长：船波限于顶角船波限于顶角 的扇形区域内（的扇形区域内（KelvinKelvin角角 ）。）。 2.1 2.1 海洋波浪概述海洋波浪概述 船行波船行波LECTURE NOTES ：OCEAN WAVE THEORY 8作用力主要成份：拖曳力、升力；惯性力；冲击力；静水力； 系泊力水下结构物桩柱式结构物大尺度浮式
6、结构物直墙式结构物斜坡式结构物一般波浪驻波破碎波破后波 2.1 2.1 海洋波浪概述海洋波浪概述 波浪对结构物的典型作用力波浪对结构物的典型作用力LECTURE NOTES ：OCEAN WAVE THEORY 9尺度：数十米上百米，与海洋工程平台尺度相当尺度：数十米上百米，与海洋工程平台尺度相当. .周期：周期：5 52525s s，涵盖各类，涵盖各类海洋工程平台结构的自振频率海洋工程平台结构的自振频率. .风浪冲击平台结构，导致摇荡、移位、结构受损。风浪冲击平台结构，导致摇荡、移位、结构受损。 2.1 2.1 海洋波浪概述海洋波浪概述 风生浪对海洋工程结构物的影响风生浪对海洋工程结构物的影
7、响LECTURE NOTES ：OCEAN WAVE THEORY 10针对不同的理论及方法：波陡相对水深相对波高l 小振幅线性波l 有限振幅波l 流函数l 椭圆余弦波l 孤立波l 浅水长波等等 2.1 2.1 海洋波浪概述海洋波浪概述 波浪理论及其适用范围波浪理论及其适用范围LECTURE NOTES ：OCEAN WAVE THEORY 112.2 2.2 水波理论水波理论 基本假设基本假设 Water Wave TheoryWater Wave Theory 均质、不可压缩均质、不可压缩 理想流体理想流体 运动始终无旋运动始终无旋 海底平坦海底平坦 重力场重力场基本假设：基本假设：基本方
8、程：基本方程：流场压力分布流场速度分布LECTURE NOTES ：OCEAN WAVE THEORY 12水波的定界问题可以归结为：水波的定界问题可以归结为：由于自由面为未知待求，且非线性，故解析求解是极为困难由于自由面为未知待求，且非线性，故解析求解是极为困难 的。的。 注：注：如如 f(x,y)f(x,y)00, ,表明初始即有波动，而表明初始即有波动，而g g( (x x, ,y y)0)0, ,则表明初始即则表明初始即 有波面高程。有波面高程。 2.2 2.2 水波理论水波理论 定解问题定解问题LECTURE NOTES ：OCEAN WAVE THEORY 13对于微幅波，认为流场
9、扰动是小量，即可以认为流场速度势对于微幅波，认为流场扰动是小量，即可以认为流场速度势 、速度、速度V V 和波幅和波幅 均为一阶小量，亦即均为一阶小量，亦即 。于是动。于是动 力学方程成为力学方程成为并由自由面上的运动学条件并由自由面上的运动学条件 2.2 2.2 水波理论水波理论 自由面条件的线性化自由面条件的线性化LECTURE NOTES ：OCEAN WAVE THEORY 将动力学方程和运动学方程结合，即有在将动力学方程和运动学方程结合，即有在z z=0=0上成立的线性自由面上成立的线性自由面 条件：条件：动力学方程运动学方程注：上面的推演比较粗略，但结论是正确的，后续将给予严格证明
10、。 LECTURE NOTES ：OCEAN WAVE THEORY 15 2.2 2.2 水波理论水波理论 小振幅波理论小振幅波理论若波动的波幅若波动的波幅 与波长与波长 相比为小量，即相比为小量，即 ，并注，并注意到未知的自由面与静水面意到未知的自由面与静水面z z=0 =0 的差别为的差别为 ，从而微幅波的定解，从而微幅波的定解问题归结为：问题归结为：在上述假设下，对波动问题相应的分析处理思想及方法称为在上述假设下，对波动问题相应的分析处理思想及方法称为小振幅波理论小振幅波理论、线性波理论线性波理论、正弦波理论正弦波理论、AiryAiry波理论波理论。LECTURE NOTES ：OCE
11、AN WAVE THEORY 16采用分离变量法求解满足采用分离变量法求解满足边界条件的波动解。边界条件的波动解。 2.2 2.2 水波理论水波理论 平面波平面波先考虑一种简单的平面驻波：仅沿先考虑一种简单的平面驻波：仅沿x x方向传播，方向传播，y y方向各截面内方向各截面内 的波动均相同的波动均相同, ,则流场速度势则流场速度势 满足满足LECTURE NOTES ：OCEAN WAVE THEORY 由线性动力学条件和的表达式可知 由取下面的形式 由运动学条件 LECTURE NOTES ：OCEAN WAVE THEORY 由Laplace 方程得到LECTURE NOTES ：OCEAN WAVE THEORY 19 2.2 2.2 水波理论水波理论 平面波平面波水深为水深为h h时时水深无限时水深无限时自由面波升自由面波升平面进行波平面进行波 （progressive waveprogressive wave） 平面驻波平面驻波（standing wavestanding wave）LECTURE NOTES ：OCEAN WAVE THEOR
