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海浪的折射、绕射和反射
时间:2016-07-25 18:02来源:未知 作者:管理员
 

海浪的折射、绕射和反射

 
 

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海浪的折射、绕射和反射
refraction,diffraction,and reflection of ocean waves


   海浪的折射 海浪传播时因水的深度变化而不断改变传播方向的现象。这种现象主要发生于近岸浅水中。当海浪在深度小于其波长的一半的水中传播时,波速c随深度的减小而降低。[244-01]244-01,式中 为重力加速度,H为深度。对周期一定的简单波动来说,其波速随着深度的增大而增大。当波峰线和等深线不平行时,同一波峰线上各点的水深不同,位于较深处一端的波峰的移动速度,大于较浅处一端的移动速度,使波峰线弯转,其弯转的方向有使波峰线逐渐和等深线平行的趋势,与波峰线垂直的波向线也随之发生弯转。
 研究海浪的折射现象,有许多实际意义,因为近岸带波高的计算,波浪破碎带的确定,泥沙输送的研究和海岸防护措施的制订等,都和近岸带的海浪折射现象有密切关系。
 研究海浪折射时,一般采用两种不同的途径:①把实际的近岸海浪抽象成某种规则的特征波,利用液体波动理论的结果分析此特征波的折射;②把实际海浪看作是由许多组成波叠加而成,通过分析各组成波的折射,求得折射后的谱或折射后的统计性质。
 对于频率单一的规则波动,折射时所遵循的规律和光折射时所遵循的规律类似。海浪总是沿着需时最短的路径传播的。根据这一原理,可以导出确定波向线变化的微分方程。在实际工作中,常常需要绘制海浪折射图,即对于深度分布已知的近岸水域,给定水域外缘处波浪的周期和方向,然后根据折射理论绘出水域内的波向线(和波峰线)的图。
 如果把海浪看成是由许多组成波叠加而成,则折射的问题就归结为如何求得折射后的谱。一般可先分析各组成波折射后的方向和能量,进而求得折射后的谱;也可以从能量平衡方程出发,直接解出折射后的谱。这种谱决定了折射后的海浪的统计性质。
 折射是一种复杂的波动现象,除地形的影响外,许多其他因素,如摩擦、水流、风、非线性效应等,都能影响海浪的折射。
 海浪的绕射 当海浪在传播过程中遇到防波堤或岛屿等障碍物时,可以“绕”过这些障碍物而传到它们的几何掩蔽区内,这就是海浪的绕射。研究海浪的绕射现象,对于海港的设计和建筑有重要的意义,因为港内的泊稳条件同海浪的绕射有着密切的关系。研究绕射时常借用光学、声学、电磁学中处理绕射现象的手段,即通过求解满足绕射边界条件的液体波动微分方程,而求得掩蔽区内部和外部的波动要素。如把海浪看作由许多组成波构成的波动,则需要通过各组成波绕射的计算,求得绕射后的谱和绕射后的统计性质。另外,也可通过模型试验和现场观测来研究绕射规律。
 在实际工作中,常对几种典型的掩蔽物(如单堤、双堤等)绘制出绕射图解。借助于这种图解,可以方便地计算出海浪在掩蔽区内部和外部任意点处绕射后的波要素。对于形状复杂的掩蔽物,利用电子计算机数值求解掩蔽区内的绕射是一种行之有效的手段。
 海浪的反射 海浪在传播过程中遇到障碍物时,除发生绕射外,还可以产生反向传播的现象,称为海浪的反射。海浪的反射波和原来的入射波叠加在一起,有时可以在障碍物前面形成驻波,其振幅可达原入射波振幅的两倍。因此,在决定这些建筑物的高程和强度时,必须考虑反射现象。另外,港内海浪的反射,可增加港内水面的振动,不利于船舶的停靠和作业,因此决定港内建筑物的布局和结构时,也应考虑到海浪的反射,以便尽可能减少反射的影响。
 当海浪遇到理想的光滑铅直平面障壁时,会发生全反射,这时入射波与反射波的振幅相等,入射角等于反射角;但当海浪遇到实际障碍物而发生反射时,一部分能量可能以渗透波的方式渗入有孔隙的结构物内,一部分能量可能因摩擦作用,发生波面破碎等非线性效应而消耗,只有一部分能量以反射波形式反射回来,故反射波的实际波高比入射波小。如果把反射波的波高对入射波的波高的比率定义为反射系数,则反射系数的大小决定于障碍物表面的坡度、粗糙度,障碍物的结构和透水性,入射波的要素和入射角。反射系数和这些因素的关系是复杂的,还难以从理论上完善处理,只有一些经验成果,制成图表,供实际工作者使用。
 折射、绕射和反射常常同时出现,如将海底地形和岸边反射物作为边界条件引入,直接求解所关心的区域内的流体动力学方程,所得结果即可体现这三者的综合作用。也有单独考虑其中的一种现象,例如采用非线性波理论的波速场、考虑侧向能通量等,但都未达到完善的程度。这三种现象的研究,仍然是今后的重要课题。

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