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1、第三章 海水运动及其能源第三章 海水运动及其能源 3.1 波浪及其能源3.1 波浪及其能源 3.2 潮汐及其能源潮汐及其能源 3.3 海海(洋洋)流及其能源流及其能源 2 第三章海水运动及其能源 波浪波浪在风 和其他动力因 素作用下，海 面水体作周期 性的起伏运 动； 在风 和其他动力因 素作用下，海 面水体作周期 性的起伏运 动； 波浪生成示意图 3 第三章海水运动及其能源 波浪运动曲线一般为正弦或余弦曲线，其实质为海水表 面以波动形式传播，即水体并不随波向前运动，波浪中 的每一水质点只做圆周运动。 波浪运动曲线一般为正弦或余弦曲线，其实质为海水表 面以波动形式传播，即水体并不随波向前运动，
2、波浪中 的每一水质点只做圆周运动。 波浪要素图波浪要素图 4 第三章海水运动及其能源 1、波浪要素1、波浪要素 波峰：波峰：波浪最高点波浪最高点 波谷：波谷：波浪最低点波浪最低点 波高：波高：波峰至波谷的距离波峰至波谷的距离-H 波长：波长：相邻两个波峰或波谷的距离相邻两个波峰或波谷的距离-L 周期：周期：波浪通过相邻两个波峰或波谷 的时间 波浪通过相邻两个波峰或波谷 的时间-T 波浪要素图波浪要素图 波速：波速：波长波长/周期周期-V 波幅：波幅：波高的二分之一波高的二分之一-H/2 尖锐度：尖锐度：波高波高/波长波长-S 5 第三章海水运动及其能源 2、波浪分类2、波浪分类 风浪：风浪：风
3、作用于海面产生，包括表面张力波和 重力波，能量变化大 风作用于海面产生，包括表面张力波和 重力波，能量变化大 地震波：地震波：地震活动产生，波浪规模大地震活动产生，波浪规模大 潮波：潮波：潮汐作用产生，周期长，最小潮汐作用产生，周期长，最小12小时小时 涌浪：涌浪：离开起浪区的风浪，波长较长离开起浪区的风浪，波长较长 内浪：内浪：两个不同密度水团界面上的波浪两个不同密度水团界面上的波浪 按成因按成因 6 第三章海水运动及其能源 2、波浪分类2、波浪分类 进行波：进行波：波浪传播过程中，波峰和波谷次第 前进 波浪传播过程中，波峰和波谷次第 前进 驻波：驻波：波浪无前进迹象，波峰和波谷在同一 位置
4、交替出现 波浪无前进迹象，波峰和波谷在同一 位置交替出现 按波浪传播方式按波浪传播方式 7 第三章海水运动及其能源 2、波浪分类2、波浪分类 两个传播方向相反的进行波相遇便形成驻波两个传播方向相反的进行波相遇便形成驻波 驻波特征图驻波特征图 想一想，什么位置可能形成驻波？想一想，什么位置可能形成驻波？ 8 第三章海水运动及其能源 2、波浪分类2、波浪分类 正弦波：正弦波：波形曲线近似正弦曲线波形曲线近似正弦曲线 摆线波：摆线波：波形曲线近似摆线波形曲线近似摆线 按波浪断面几何形态按波浪断面几何形态 9 第三章海水运动及其能源 2、波浪分类2、波浪分类 深水波：深水波：水深大于波长的水深大于波长
5、的1/2 浅水波：浅水波：水深小于波长的水深小于波长的1/2 按波长与水深关系按波长与水深关系 10 第三章海水运动及其能源 3、深水波3、深水波 深水波的水质点运动：深水波的水质点运动：水分子以水分子以1/2波高为半径作圆周运 动，水分子运动周期与波浪周期相等。 波高为半径作圆周运 动，水分子运动周期与波浪周期相等。 深水中振动波特征图深水中振动波特征图 11 第三章海水运动及其能源 3、深水波3、深水波 深水波的运动特征深水波的运动特征 当水分子处在波峰时，其运动方向与波浪运动方向一致；当水分子 处于波谷时，其运动方向与波浪运动方向相反； 当水分子处在波峰时，其运动方向与波浪运动方向一致；
6、当水分子 处于波谷时，其运动方向与波浪运动方向相反； 深水中振动波特征图深水中振动波特征图 处于1/2波峰 或波谷处的水 分子做垂直运 动；处于波峰 或波谷处的水 分子做水平运 动； 处于1/2波峰 或波谷处的水 分子做垂直运 动；处于波峰 或波谷处的水 分子做水平运 动； 12 第三章海水运动及其能源 3、深水波3、深水波 深水波的运动特征深水波的运动特征 2 1 25. 1 2 g c Tc/ ：周期 ：重力加速度 ：波长 ：波速 T g c 式中：式中： 13 第三章海水运动及其能源 3、深水波3、深水波 深水波的运动特征深水波的运动特征 /c/HTHV 速度：波浪表面水分子运动 ：周期
7、 ：波高 ：波长 ：波速 V T H c 式中：式中： 14 第三章海水运动及其能源 3、深水波3、深水波 深水波的运动特征深水波的运动特征 /d2 0d e HH ：任一深度的波高 ：海面波高 ：海水深度 d 0 H H d 式中：式中： 波浪既在海面传播，同时也在重力方向传 播，随水深增加，波高将迅速降低。 波浪既在海面传播，同时也在重力方向传 播，随水深增加，波高将迅速降低。 15 第三章海水运动及其能源 4、浅水波4、浅水波 浅水波的水质点运动规律：浅水波的水质点运动规律： 波浪由深水区传入浅水区，其周期保持不变， 但波长缩短，波高增大； 波浪由深水区传入浅水区，其周期保持不变， 但波
8、长缩短，波高增大； 受海底影响，其水质点随着水深增加，不再作 圆周运动，而是椭圆运动，因此随着水深增 加，椭圆水平半径不变，而垂直半径不断减 小，在海底水质点仅作来回的往返运动。 受海底影响，其水质点随着水深增加，不再作 圆周运动，而是椭圆运动，因此随着水深增 加，椭圆水平半径不变，而垂直半径不断减 小，在海底水质点仅作来回的往返运动。 16 第三章海水运动及其能源 4、浅水波4、浅水波 17 第三章海水运动及其能源 浅水波的水质点运动规律 4、浅水波 浅水波的水质点运动规律 4、浅水波 浅水波基本特征图浅水波基本特征图 18 第三章海水运动及其能源 浅水波的运动特征：浅水波的运动特征： gd
9、V 式中：式中： ：重力加速度 ：水深 ：波速 g d V 2 8 1 gHE 式中：式中： ：重力加速度 ：波高 ：波长 ：能量 g H E 4、浅水波4、浅水波 19 第三章海水运动及其能源 浅水波的运动特征：浅水波的运动特征： 由于海底摩擦作用，随着水深减小，波速将迅速减小， 即不同水深处有不同波长和波高，但能量保持不变。 由于海底摩擦作用，随着水深减小，波速将迅速减小， 即不同水深处有不同波长和波高，但能量保持不变。 1 2 11 8 1 gHE 2 2 22 8 1 gHE 21EE 2 2 21 2 1HH 随着波长缩短，波高将增大。随着波长缩短，波高将增大。 4、浅水波4、浅水波
10、 20 第三章海水运动及其能源 浅水波的运动特征：浅水波的运动特征： 由于海底摩擦作用，随着水深不断变浅，波峰处水质点的前进速 度将大于波谷处水质点向后运动速度，这样水质点运动的椭圆轨迹将 受到破坏，当水深等于波高的1.3倍时，波浪发生倾倒，形成破浪。 由于海底摩擦作用，随着水深不断变浅，波峰处水质点的前进速 度将大于波谷处水质点向后运动速度，这样水质点运动的椭圆轨迹将 受到破坏，当水深等于波高的1.3倍时，波浪发生倾倒，形成破浪。 4、浅水波4、浅水波 破浪的形成图破浪的形成图 21 第三章海水运动及其能源 4、浅水波4、浅水波 22 第三章海水运动及其能源 5、深、浅水波的差异5、深、浅水
11、波的差异 深水波的水质点运动轨道呈圆形，从海面向深处，水深以算术级 数增加，圆形轨道的半径以几何级数减小； 深水波的水质点运动轨道呈圆形，从海面向深处，水深以算术级 数增加，圆形轨道的半径以几何级数减小；浅水波的水质点运动 轨道为椭圆形，随着接近海底，椭圆轨道的水平半径不变，垂直 半径则迅速减小，在海底水质点变为往返运动； 浅水波的水质点运动 轨道为椭圆形，随着接近海底，椭圆轨道的水平半径不变，垂直 半径则迅速减小，在海底水质点变为往返运动； 深水波 浅水波 深水波 浅水波 23 第三章海水运动及其能源 5、深、浅水波的差异5、深、浅水波的差异 深水波的传播速度取决于波长，而与深度无 关； 深
12、水波的传播速度取决于波长，而与深度无 关；浅水波的传播速度取决于水深，波长随深 度变浅而缩短； 浅水波的传播速度取决于水深，波长随深 度变浅而缩短； 深水波在传播过程中比较稳定，深水波在传播过程中比较稳定，而浅水波随着 水深变浅，波长缩短，波高变大，最后形成破 浪； 而浅水波随着 水深变浅，波长缩短，波高变大，最后形成破 浪； 24 第三章海水运动及其能源 6、涌浪特点与成因6、涌浪特点与成因 特点特点波长较大；具有较规则外形，排列 比较整齐，波峰线较长，波峰较宽，波面比 较平滑，波形接近正弦波形状； 波长较大；具有较规则外形，排列 比较整齐，波峰线较长，波峰较宽，波面比 较平滑，波形接近正弦
13、波形状； 成因成因空气阻力和海水涡动的粘滞性、离 散、角散。 空气阻力和海水涡动的粘滞性、离 散、角散。 25 第三章海水运动及其能源 7、中国海区波浪特点7、中国海区波浪特点 北部海区波高小，南部海区波高大，年平均 波高向南增大，南海约 北部海区波高小，南部海区波高大，年平均 波高向南增大，南海约0.6-0.8m； 冬季最大波高出现在渤、黄海，庙岛列岛附 近冬季达 冬季最大波高出现在渤、黄海，庙岛列岛附 近冬季达8m，向南降低；夏季最大波高出现 在南海，西沙以南达 ，向南降低；夏季最大波高出现 在南海，西沙以南达12m，向北降低。，向北降低。 26 第三章海水运动及其能源 8、波浪的折射、绕
14、射8、波浪的折射、绕射 折射：折射： ABdtc/sin11 ABdtc/sin22 2 1 2 1 csin sinc C1 C2 ，导致，导致1 2 ，引起波浪传 播方向发生变化，形成波浪折射。 ，引起波浪传 播方向发生变化，形成波浪折射。 波浪折射图波浪折射图 等深线等深线 波浪传播方向波浪传播方向 波浪的传播方向完全与岸线垂直波浪的传播方向完全与岸线垂直 dtc1 dtc2 27 第三章海水运动及其能源 8、波浪的折射、绕射8、波浪的折射、绕射 绕射：波浪遇到堤坝 和海岛等障碍物时， 正面波浪发生反射， 障碍物两侧波浪继续 前进，向障碍物后方 向扩散，按折射原理 传到障碍物后侧的波 影
15、区； 绕射：波浪遇到堤坝 和海岛等障碍物时， 正面波浪发生反射， 障碍物两侧波浪继续 前进，向障碍物后方 向扩散，按折射原理 传到障碍物后侧的波 影区； 波浪的绕射图波浪的绕射图 28 第三章海水运动及其能源 9、波浪能源开发9、波浪能源开发 波浪蕴藏着巨大的能源；波浪蕴藏着巨大的能源； 理想波能资源区应具备的条件：理想波能资源区应具备的条件： 位于主要风带内；位于主要风带内； 靠近人口稠密地区；靠近人口稠密地区； 具有可使入射波浪的方向与海岸 线平行的海底条件 具有可使入射波浪的方向与海岸 线平行的海底条件，如英国西部沿 海区。 ，如英国西部沿 海区。 29 第三章海水运动及其能源 9、波浪能源开发9、波浪能源开发 目前可行的波能开发技 术机理： 目前可行的波能开发技 术机理： 利用海水垂直起伏运动推 动涡轮机； 利用海水垂直起伏运动推 动涡轮机； 依靠随波浪运动而发生横 摇、纵摆或升降的浮体，通 过凸轮或翼片推动水轮机； 依靠随波浪运动而发生横 摇、纵摆或升降的浮体，通 过凸轮或翼片推动水轮机； 利用收缩水道聚波技术来 推动水轮机 利用收缩水道聚波技术来 推动水轮机。 30 第三章海水运动及其能源 9、波浪能源开发9、波浪能源开发 波浪鸭波浪鸭 波能发电装置波能发电装置平滑波浪的装置平滑
