Các nguyên lý của dòng chảy chất lỏng và sóng mặt trong sông, cửa sông, biển và đại dương - Chương 9

Dòng không ổn định: sóng Ngắn trên mặt9.1. Mở đầuSóng ngắn trên mặt tự do là sóng dao động được đặc trưng bởi độ cao, độ dài, chu kỳ, vận tốc lan truyền và hướng của chúng. Chu kỳ sóng là khoảng thời gian giữa những lần đi qua hai đỉnh sóng liên tiếp tại một vị trí đã cho. Hướng sóng (và cũng là hướng gió) được định nghĩa là hướng mà từ đó sóng đang đến so với hướng Bắc. Như vậy, hướng sóng 900 có nghĩa sóng đến từ phía Đông. Hướng sóng ngược với...
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Các nguyên lý của dòng chảy chất lỏng và sóng mặt trong sông, cửa sông, biển và đại dương - Chương 9Ch¬ng 9. Dßng kh«ng æn ®Þnh: sãng Ng¾n trªn mÆt9.1. Më ®Çu Sãng ng¾n trªn mÆt tù do lµ sãng dao ®éng ®îc ®Æc trng bëi ®é cao, ®é dµi, chukú, vËn tèc lan truyÒn vµ híng cña chóng. Chu kú sãng lµ kho¶ng thêi gian gi÷anh÷ng lÇn ®i qua hai ®Ønh sãng liªn tiÕp t¹i mét vÞ trÝ ®· cho. Híng sãng (vµ còng lµhíng giã) ®îc ®Þnh nghÜa lµ híng mµ tõ ®ã sãng ®ang ®Õn so víi híng B¾c. NhvËy, híng sãng 900 cã nghÜa sãng ®Õn tõ phÝa §«ng. Híng sãng ngîc víi híng dßngch¶y, lµ híng mµ dßng ch¶y ®i vÒ phÝa ®ã. Sãng ng¾n kh¸c víi sãng dµi ë chç ¸p suÊt chÊt láng theo híng th¼ng ®øng lµ phithuû tÜnh. Sãng ng¾n trªn mÆt tù do thêng ph¸t sinh bëi lùc giã. Sãng ng¾n lan truyÒntrong mét vïng díi ¶nh hëng cña lùc giã ®îc gäi sãng giã hoÆc sãng biÓn. Nh÷ng ®Æctrng sãng giã ®îc x¸c ®Þnh bëi ®µ giã, lµ kho¶ng c¸ch mµ qua ®ã giã thæi, bëi vËn tècgiã vµ bëi thêi gian giã thæi. Cïng mét lóc, giã ph¸t sinh ra c¸c sãng cã nhiÒu ®é cao, ®édµi vµ chu kú (sãng ngÉu nhiªn). Sãng ®· lan truyÒn ra khái trêng lùc cña giã ®îc gäi sãng lõng. Sãng nµy thay®æi trong thêi gian lan truyÒn cña chóng tõ sãng giã t¬ng ®èi dèc vµ ng¾n (L/H = 20, T= 5 –10 s) thµnh sãng t¬ng ®èi ph¼ng vµ dµi (L/H = 100, T = 10 – 30 s) vµ thÓ hiÖngièng nh sãng ®¬n ®iÖu (®Òu) h¬n. Sãng giã (biÓn) vµ sãng lõng lµ sãng träng lùc bëi v×träng lùc cã xu híng tr¶ bÒ mÆt chÊt láng vÒ vÞ trÝ c©n b»ng n»m ngang cña nã. Sãngng¾n víi chu kú gi÷a 30 vµ 300 s ®«i khi ®îc gäi lµ sãng díi träng lùc mµ chuyÓnthµnh sãng dµi. Sãng ng¾n cã thÓ lan truyÒn qua ®¹i d¬ng vµ biÓn cho ®Õn khi chóng tiÕp cËn bê,n¬i n¨ng lîng cßn l¹i cña chóng mét phÇn ®îc ph¶n x¹ hoÆc tiªu t¸n bëi sãng ®æ vµma s¸t ®¸y. Ch¬ng nµy giíi thiÖu c¬ së lý thuyÕt sãng ng¾n, cã thÓ ph©n chia nh sau: Sãng biªn ®é nhá Sãng tuyÕn tÝnh Airy (Sinusoid) Sãng Stokes bËc cao Sãng biªn ®é h÷u h¹n Sãng Trocoid Sãng Cnoid Sãng ®¬n ®éc Nh÷ng chñ ®Ò sau ®îc tr×nh bµy: • nh÷ng ph¬ng tr×nh c¬ b¶n cña sãng tuyÕn tÝnh vµ phi tuyÕn • nh÷ng thuéc tÝnh sãng tuyÕn tÝnh • líp biªn sãng • n¨ng lîng sãng vµ sù truyÒn n¨ng lîng sãng 212 • p h¶n x¹ sãng, níc n«ng, khóc x¹, nhiÔu x¹ vµ sãng ®æ • biÕn ®æi mùc níc do sãng (níc rót vµ níc d©ng) • dßng ch¶y däc bê do sãng • sãng ngÉu nhiªn Th«ng tin bæ sung cã thÓ thÊy trong VËt lý biÓn C«ng tr×nh (Wiegel,1962) vµtheo Híng dÉn B¶o vÖ Bê (1984).9.2. Lý thuyÕt sãng tuyÕn tÝnh vµ phi tuyÕn9.2.1. Ph¬ng tr×nh Bernoulli cho dßng kh«ng æn ®Þnh Gi¶ thiÕt c¬ b¶n cña lý thuyÕt sãng tuyÕn tÝnh vµ phi tuyÕn lµ dßng kh«ng quay,nãi r»ng kh«ng cã øng suÊt trît néi. VÒ c¬ b¶n, sù quay ph¸t sinh t¹i c¸c biªn vµ th©m nhËp tõ ®ã vµo trong chÊt láng.Sù quay kh«ng thÓ tù nã ph¸t sinh trong chÊt láng khi kh«ng cã biªn. Trong trêng hîpsãng mÆt tù do chu kú ng¾n trong níc s©u, chuyÓn ®éng sãng kh«ng tr¶i réng ®Õn ®¸yvµ do ®ã kh«ng thÓ ph¸t sinh sù quay. Trong níc n«ng chuyÓn ®éng sãng ®¹t ®Õn ®¸yvµ ph¸t sinh líp biªn sãng víi dßng quay. Tuy nhiªn, líp biªn nµy rÊt máng (0,01 m) dochu kú cña sãng nhá. Dßng ch¶y sÏ ®¶o ngîc tríc khi mét bÒ dµy líp biªn ®¸ng kÓph¸t triÓn vµ nh÷ng xo¸y níc ph¸t sinh tríc khi dßng ®¶o ngîc nhanh chãng mÊt ®i.Nh vËy, nh÷ng chuyÓn ®éng quay sÏ bÞ h¹n chÕ trong mét líp biªn kh¸ máng gÇn ®¸yvµ cã thÓ bá qua trong ph¬ng tr×nh chuyÓn ®éng m« t¶ dao ®éng tù do trªn mÆt. Nh÷ng ph¬ng tr×nh c¬ b¶n m« t¶ dßng ch¶y kh«ng æn ®Þnh kh«ng quay trong mÆtph¼ng th¼ng ®øng x - z lµ ph¬ng tr×nh liªn tôc (ph¬ng tr×nh 5.2.2) vµ ph¬ng tr×nhchuyÓn ®éng Euler: U W  0 (9.2.1) x z U 1 P U U U W  0 (9.2.2) z  x t x W W W 1 P g0 U W  (9.2.3) z  z t xtrong ®ã: U, W = vËn tèc tøc thêi theo c¸c híng x, z. Dßng kh«ng quay cã thÓ m« t¶ díi d¹ng thÕ vËn tèc  (xem môc 7.2.2), ®îc ®ÞnhnghÜa lµ:   U  W  vµ . (9.2.4) x z Thay ph¬ng tr×nh (9.2.4) vµo ph¬ng tr×nh liªn tôc cho ta ph¬ng tr×nh Laplace,nh sau: ...