Възникване, развитие и разпространение на ветровите вълни


Категория на документа: Физика


При развитието на вълните те достигат състояние, при което на гребена започва да се появява пяна, показваща, че вълната започва да се обрушва.. При този процес се погасява част от вълновата енергия. За всяка отделна съставляваща на вълновия спектър непрекъснато се добавя енергия от вятъра, но постепенно нараства и дисипацията на енергия вследствие обрушването на вълната. Съществува някъкво гранично състояние при което енергията постъпваща към отделната съставяща е равна на дисипираната енергия т.е. получава се състояние на динамично равновесие. По-нататък енергията се предава към съставляващите с по-ниски честоти, след което равновесното състояние се измества към нискочестотната област. Този процес е илюстриран на фиг. 3, където ординатата е спектралната енергиина плътност.

E(f)

f

Фигура 3. Развитие на енергииния спектър.

Ако вятър с постоянна скорост духа достатъчно дълго време се достига до равновесно състояние за цялата честотна област от вълновия спектър, което се нарича напълно развито вълнение. В този случай е риложим Пирсон_Московиц спектъра на вълнението.

Продължителност и разгон
От горните обяснения следва, че вятърът трябва да духа определен период от време в приблизително една и съща посока за да се развие вълнение с точно определени характеристики и този перод се нарича продължителност. Вълните получават енергия от вятъра и нарастват по височина и период, за което е нужна и определена дистанция по дължина. Разстоянието от подветрения бряг или гранигата на щормовата зома до точката, в която разглеждаме вълнението се нарича разгон или дължина на разгона. На параметрите на вълнението оказват влияние и други фактори, като конфигурацията на бреговата линия, структурата на ветровото поле, течения и др. В плитководието където d Развиващо се или неустановено вълнение съществува, когато средните елементи на вълнението се променят във времето.
Развито или установено вълнение съществува, когато средните елементи на вълнението не зависят от времето, което се получава при постоянни скорост и направление на вятъра достатъчно голяма продължителност на действие.

При постоянна скорост на вятъра духащ от брега към морето, установено вълнение се наблюдава в зоната непосредствено до брега, докато неустановеното вълнение е се разпростира навътре в морето. Граноцата между тези две области се нарича фронт на установеното вълнение. С течение на времето тази граница се измества в посока на вятъра навътре в морето.
Минимален разгон се нарича най-късата дистанция върху която се развива установено вълнение за вятър с дадена скорост духащ за определен период от време.
Минимално време за развитие на вълнението е времето за което вълнението в дадена точка при вятър с дадена скорост и направление е напълно развито.

Източници на данни за вятъра
Най-предпочитани са данни за скоростта на вятъра получени от метеорологични станции, летища, пристанища и др. в близост до изследвания обект. Те трябва да са с достатъчна продължителност, което би направило възможно извършване на статистически анализ и екстраполиране на резултатите до желания период на повторяемост за предсказване на проектните вълни. Въз основа на тези данни могат да бъдат построени Рози на ветровете.
Карти с контури за скоростта на вятъра (изотахи) за различни периоди на повторяемост: 2, 50, 100 години. При тях не се отчита посоката на вятъра. Те могат да се използват в комбинация с розата на ветровете, въз основа на която могат да се направят съответни корекции.
Карти с контури на налягането. При тях най-напред се определя посоката на гострофичния вятър от градиента на налягането. След това на тази основа се определя скоростта и посоката на вятъра в близост до земната повърхност. Това изисква специални умения и опит.

Често се налага корекция на данните в зависимост от височината, на която са правени измерванията:

Например U19.5/U10=1.10
От друга страна е важна и продължителността на записите и съответното време на усредняване. Колкото периодът на усредняване е по-голям, толкова получената средна скорост е по малка, например: средна скорост за 1min 30 m/s отговаря на 24,40 m/s за 30 min и 23,1 m/s за 2 часа. При определяне на вълнението е необходимо да се направи усредняване за скоростта на вятъра за преминаване на целия вълнови разгон F/Cg, където Cg e т.н. групова скорост на вълните. Могат да бъдат използвани следните формули за корекция на скоростите:

за 1 s
за 3600 s
t - време за усредняване

Определяне параметрите на вълнението в открито море
За определяне на елементите на вълнението, както в случай на неустановено, така и в случай на установено вълнение са предложени зависимости от различни автори. Съществуват три основни метода за предскасване на вълнението: първият е основан на емпирични зависимости, вторият е основан на заначимата вълна и третият е основан на енергииния спектър.
Чрез метода основаващ се на емпирични зависимости се получават вълновите характеристики (височина и период ) при зададени скорост и продължителност на вятъра. Този метод не е достатъчно общовалиден, но в много от случаите е предпочитан поради неговата простота.

Методът на заначимата вълна SMB (Significant wave) представя действителните нерегулярни вълни чрез т.н. значима вълна Н1/3 и Т1/3 при зададени скорост, разгони продължителност на вятъра. Toзи метод е разработен първоначално от Sverdrup и Munk 1942 год, a в последствие е доразвит от Wilson, Bretschneider, Ijima и др. и е получил широко приложение в практиката.
Спектралните методи дават вълновите характеристики на основата на развитието на енергиините спектри. Метода PNJ представен от Pierson, Neumann и James е представителен за спектралните методи. През последните години са разработени редица спектрални методи, при което са правени опити да бъдат отчетени всички явления съпътстващи процесите на генериране и затихване на вълните.

Много от теоретичните методи се основават на уравнението за баланса на вълновата енергия

(5)
където Eb, EW и E са съответно енергията на вълната, енергията предавана от вятъра на вълната и енергията разсейваща се в резултат на турбулентното триене, обрушването на гребена на вълната, триенето с дъното и др., е изменението на енергията пренасяна от вълната в посока на нейното разпространение.
В Руската литература най-разпространен от тези методи е метода на Шулейкин, при който действителното вълнение е заменено със система регулярни двумерни вълни, което според автора е добро приближение в случая на развито вълнение наблюдаващо се при голяма продължителност на действие на вятъра и неограничено разстояние от подветрения бряг. При изпълнение на първото условие лявата част на уравнението е нула, а второто условие обуславя постоянство на енергииния поток, от където . Тогава от балансовото уравнение следва, че енергията постъпваща от вятъра към вълната е равна на енергията изразходвана за турбулентното триене вслучай, че се пренебрегнат другите загуби т.е. . След съответни преобразования Шулейкин е получил уравнение за вълновото поле в безразмерна форма:

(6)
където са съответно относителната височина, време на действие на вятъра и разстояние от подветрения бряг; височина на вълната при определено развитие на вълнението, t e времето необходимо за установяване на развито вълнение.
Интеграла на това уравнение при начални и гранични условия, когато независимо от  и при независимо от , представлява повърхност от две крила пресичащи се по линията ОК (фигура 4).



Сподели линка с приятел:





Яндекс.Метрика
Възникване, развитие и разпространение на ветровите вълни 9 out of 10 based on 2 ratings. 2 user reviews.