Ветровое волнение. Методы расчета элементов ветровых волн

Волны морские

Во́лны морские

периодические колебания поверхности моря или океана, обусловленные возвратно-колебательными или круговыми движениями воды. В зависимости от причин, вызывающих движение, различаются волны ветровые, приливные (приливы и отливы ), барические (сейши) и сейсмические (цунами ). Волны характеризуются высотой , равной расстоянию по вертикали между гребнем и подошвой волны, длиной – расстоянием по горизонтали между двумя смежными гребнями, скоростью распространения и периодом . У ветровых волн он длится ок. 30 с, у барических и сейсмических – от нескольких минут до нескольких часов, у приливных измеряется часами.

В водоёмах наиболее распространены ветровые волны. Они образуются и развиваются благодаря энергии ветра, передаваемой воде за счёт трения и путём давления воздушного потока на склоны гребней волн. Они всегда существуют в открытом океане и могут иметь самые разнообразные размеры, достигая дл. до 400 м, выс. 12–13 м и скорости распространения 14–15 м/с. Макс. зарегистрированная выс. ветровых волн составляет 25–26 м, возможно существование и более высоких волн. В начальной стадии развития ветровые волны бегут параллельными рядами, которые затем распадаются на обособленные гребни. На глубоководье размеры и характер волн определяются скоростью ветра, продолжительностью его действия и расстоянием от подветренного пространства; малые глубины ограничивают рост волн. Если ветер, вызвавший волнение, стихает, то ветровые волны превращаются в т. н. зыбь. Она часто наблюдается одновременно с ветровыми волнами, при этом не всегда совпадая с ними по направлению и высоте.

В зоне прибоя наблюдаются т. н. прибойные биения – периодические подъёмы уровня воды при подходе группы высоких волн. Выс. подъёма может составлять от 10 см до 2 м, редко до 2,5 м. Сейши обычно наблюдаются в ограниченных водоёмах (морях, заливах, проливах, озёрах) и представляют собой стоячие волны, вызванные чаще всего быстрым изменением атм. давления, реже иными причинами (резкое поступление паводковых вод, сильные дожди и проч.). Однажды вызванная деформация уровня воды приводит к постепенно затухающим колебаниям в ней. При этом в некоторых точках уровень воды остаётся постоянным – это т. н. узлы стоячей волны. Выс. таких волн незначительна – обычно несколько десятков сантиметров, редко до 1–2 м.

География. Современная иллюстрированная энциклопедия. - М.: Росмэн . Под редакцией проф. А. П. Горкина . 2006 .

Смотреть что такое "волны морские" в других словарях:

Возмущения поверхности моря или океана, вызываемые ветром, приливообразующими силами Луны, Солнца, подводными землетрясениями и др. Подразделяются на ветровые, приливные, гравитационные (цунами) и др. Волны на поверхности водной среды существуют… … Морской словарь

Волны на поверхности моря или океана. Благодаря большой подвижности частицы воды под действием разного рода сил легко выходят из состояния равновесия и совершают колебательные движения. Причинами, вызывающими появление волн, являются… …

ВОЛНЫ морские - колебания частиц воды около положения равновесия, распространяющиеся в море. Вызываются ветром, приливообразующими силами, изменением атмосферного давления, землетрясениями, движением твердых тел в воде и др. Основные элементы волнового движения… … Морской энциклопедический справочник

Волны, возникающие и распространяющиеся по свободной поверхности жидкости или на поверхности раздела двух несмешивающихся жидкостей. В. на п. ж. образуются под влиянием внешнего воздействия, в результате которого поверхность жидкости… … Большая советская энциклопедия

Возмущения, распространяющиеся с конечной скоростью в пространстве и несущие с собой энергию без переноса вещества. Наиболее часто встречаются упругие волны (морские, звуковые и т. п.). Электромагнитные волны возбуждаются атомами, молекулами,… … Морской словарь

Sea Waves Жанр документальный фильм Режиссёр {{{Режиссёр}}} Кинокомпания Эдисон … Википедия

ВОЛНЫ - Увидеть во сне волны – к препятствиям в делах, усилиям и борьбе за успех. Если волны чистые, значит, вы обретете новые знания, которые помогут вам лучше определиться в жизни. Грязные волны предвещают ошибку, чреватую непоправимыми… … Сонник Мельникова

Тёмная крачка (Onychoprion fuscata) способна продержаться в воздухе 3 10 лет, лишь иногда опускаясь на воду … Википедия

Фотография большой волны, надвигающейся на торговое судно. Приблизительно 1940 е годы Волны убийцы (Блуждающие волны, волны монстры, белая волна, англ. rogue wave в … Википедия

Эта страница глоссарий. # А … Википедия

Книги

Морские рассказы , Гусева Галина. Морская романтика всегда привлекала людей Так много таит в себе вечная водная стихия, так хочется покорять волны одна за одной. Уникальный дневник заядлого любителя путешествий на яхте -…

Ветровые волны

Штормовые волны в Северной части Тихого Океана

Океанские волны

Ветровые волны создаются вследствие воздействия ветра (передвижение воздушных масс) на поверхность воды, то есть нагнетания. Причина колебательных движений волн становится легко понятна, если заметить воздействие того же ветра на поверхность пшеничного поля. Хорошо заметна непостоянность ветровых потоков, которые и создают волны.

В силу того что вода является веществом более плотным, чем воздух (примерно в 800 раз) - реакция воды на воздействие ветра несколько «запаздывает», и рябь переходит в волны лишь через некоторое расстояние и время при условии постоянного воздействия ветра. Если учесть такие параметры, как постоянность потока ветра, его направление, скорость, площадь воздействия, а также предыдущее состояние колебания поверхности водной глади, то мы получаем направление волны, высоту волны, частоту волны, наложение нескольких колебаний-направлений на один и тот же участок поверхности воды. Следует отметить, что направление волны не всегда совпадает с направлением ветра. Это особо заметно при изменении направления ветра, смешивании разных воздушных потоков, изменении условий среды воздействия (открытое море, гавань, суша, залив или любое другое достаточно большое тело, способное внести изменение в тенденцию воздействия и образования волн)- это означает, что иногда ветер гасит волны.

Вертикальное движение волн

В отличие от постоянных потоков в реках, что идут в практически одном и том же направлении, энергия волн содержится в их вертикальном колебании и частично горизонтальном при малой глубине. Высота волны, а точнее, её распределение, расценивается как 2/3 над среднестатистической поверхностью воды и всего лишь на 1/3 в глубь. Примерно такое же соотношение отмечается и в скорости движения волны вверх и вниз. Вероятно, эта разница вызвана разной природой сил воздействия на движение волны: при подъёме водной массы действует в основном давление (волну буквально выдавливает из моря повышенное давление воды на данном участке и сравнительно низкое сопротивление-давление воздуха). При движении волны вниз в основном действуют сила гравитации , вязкость жидкости, давление ветра на поверхность. Противодействуют этому процессу: инерция предыдущего движения воды, внутреннее давление моря (вода медленно уступает место опускающейся волне - перемещая давление в близлежащие районы воды), плотность воды, вероятные восходящие потоки воздуха (пузыри), возникающие при опрокидывании гребня волны, и т. д.

Волны как возобновляемый источник энергии

Особенно важно отметить тот факт, что ветровые волны являются сконцентрированной энергией ветра. Волны передаются на большие расстояния и сохраняют в себе потенциал энергии на долгое время. Так, часто можно наблюдать волнение моря после бури или шторма, когда ветер давно стих, или волнение моря при штиле. Это даёт волнам большое преимущество как возобновляемому источнику энергии в ввиду его сравнительного постоянства и возможности прогнозирования, поскольку волны возникают практически с небольшой задержкой после возникновения ветра и продолжают существовать долго после него, перемещаясь на далёкие расстояния, что делает получение электроэнергии от волн более рентабельным по сравнению с ветрогенераторами . Сюда следует добавить постоянство морского волнения вне зависимости от времени суток или облачности, что делает волновые генераторы более рентабельными по сравнению с солнечными батареями , так как солнечные батареи вырабатывают электричество только днём и желательно при ясной летней погоде - зимой же процент производительности ниспадает до 5 % от предполагаемой мощности батареи.

Колебания водной поверхности являются результатом воздействия солнечной активности. Солнце нагревает поверхность планеты (причём неравномерно - суша нагревается быстрее, чем море), повышение температуры поверхности приводит к повышению температуры воздуха - а это, в свою очередь, приводит к расширению воздуха, что означает повышение давления. Как известно, воздух с избыточным давлением перетекает в область с менее высоким давлением - то есть создаётся ветер . А ветер нагнетает волны. Надо отметить, что этот феномен также хорошо действует и в обратном направлении, когда поверхность планеты неравномерно остывает.

Если учесть возможность повышения концентрации энергии на квадратный метр поверхности путём уменьшения глубины дна и (или) создания волновых «загонов» - вертикальных барьеров, то получение электричества от волновых колебаний водной поверхности становится очень выгодным предложением. Подсчитано, что при использовании лишь 2-5 % энергии волн мирового океана человечество в силах перекрыть все свои нынешние потребности в электроэнергии на глобальном уровне в 5 раз.

Сложность воплощения волновых генераторов в реальность заключается в самой водной среде и её непостоянстве. Известны случаи высоты волн в 30 и более метров. Сильны волнения или высокая энергоконцентрация волн в районах ближе к полюсам (в среднем 60-70 кВ/кв.м.). Этот факт ставит перед изобретателями, работающими в северных широтах, задачу обеспечить должную надежность устройства, чем уровень КПД . И наоборот - в Средиземном море и Чёрном море, где энергоёмкость волн составляет в среднем около 10 кВч/квадратный метр, конструкторы, кроме живучести установки в неблагоприятных условиях, вынуждены искать способы повышения эффективности установки (КПД), что неизменно приведёт последних к созданию более рентабельных установок. Примером может послужить Австралийский проект Oceanlinx .

В Российской Федерации эта ниша производства электроэнергии пока не заполнена, несмотря на практически неограниченные водные просторы разной энергоёмкости, начиная с Байкала, Каспийского, Чёрного морей и кончая Тихим Океаном и другими северными водными просторами (на период незамерзания).

Кроме того, в местах преобразования волн в электроэнергию морская жизнь становится более богатой ввиду того, что дно не подвергается деструктивным воздействиям во время шторма.

Примечания

Carr, Michael "Understanding Waves" Sail Oct 1998: 38-45.
Rousmaniere, John. The Annapolis Book of Seamanship, New York: Simon & Schuster 1989
G.G. Stokes (1847). «On the theory of oscillatory waves». Transactions of the Cambridge Philosophical Society 8 : 441–455.
Reprinted in: G.G. Stokes Mathematical and Physical Papers, Volume I . - Cambridge University Press, 1880. - P. 197–229.
Phillips, O.M. (1977), «The dynamics of the upper ocean» (2 nd ed.) ISBN 0 521 29801 6
Holthuijsen, L.H. (2007), «Waves in oceanic and coastal waters» , Cambridge University Press, ISBN 0521860288
Falkovich, Gregory (2011), «Fluid Mechanics (A short course for physicists)» , Cambridge University Press, ISBN 978-1-107-00575-4

Ссылки

Каждая волна характеризуется определенными элементами. Общими элементами для волн являются: 1. вершина - наивысшая точка гребня волны; 2. подошва - самая низкая точка ложбины волны; 3. высота (h) - превышение вершины волны; 4. длина () - горизонтальное расстояние между вершинами двух смежных гребней на волновом профиле, проведенном в генеральном направлении распространения волн; 5. период (Т) - интервал времени между прохождением двух смежных вершин волн через фиксированную вертикаль; другими словами, это промежуток времени, в течение которого волна проходит расстояние, равное своей длине; 6. крутизна (е) - отношение высоты данной волны к ее длине. Крутизна волны в различных точках волнового профиля различна. Средняя крутизна волны определяется отношением:

7. скорость волны (с) - скорость перемещения гребня волны в направлении ее распространения, определяемая за короткий интервал времени порядка периода; волны; 8. фронт волны - линия на плане взволнованной поверхности, проходящая по вершинам гребня данной волны, которые определяются по ножеству волновых профилей, проведенных параллельно генеральному направлению распространении.

Рисунок 1. Основные элементы волны

2.2Скорость ветровых волн

Ветровые волны характеризуются лишь незначительным горизонтальным перемещение воды. С ростом глубины горизонтальное перемещение становится пренебрежительно малым уже при глубине, превышающей длину волны. В результате на глубокой воде волны практически не взаимодействуют с дном и их поведение не зависит от глубины. Поэтому фазовая скорость волны является функцией только длины волны. На глубокой воде

Любая система, в которой скорость волны зависит от ее длины, называется дисперсной . Следовательно, глубокий океан является типичной дисперсной системой. При скорость волны становится независимой от(система перестает быть дисперсной). Но при этом становится зависимой от глубины.

На мелкой воде

Все перечисленное выше относится к фазовой скорости волны. Групповая скорость, т.е. скорость распространения энергии, отличается от фазовой скорости в дисперсной среде. Для двух предельных случаев (глубокая и мелкая волна) верны следующие соотношения:

на глубокой воде:

на мелкой воде:

2.3.Высота волны

Высота волны зависит:

разгона волны;

продолжительности действия ветра;

скорости ветра.

Рисунок 2. График зависимости высоты волны от скорости ветра

Максимальная зафиксированная высота волны равнялась 34 м; длина ее составляла 342 м; период 14,8 с.. Она имела фазовую скорость 23,1м/с и групповую скорость около 11,5 м/с

2.4Энергия волн

Согласно гидродинамической теории, энергия волны складывается из кинетической энергии E к частиц жидкости, участвующих в волновом движении, и потенциальной энергии E п, определяемой положением массы жидкости, поднятой над уровнем спокойной поверхности. В волнах малой амплитуды энергия, приходящаяся на площадь, имеющую длину волны и единичную ширину:

, (6)

где - плотность жидкости,;- ускорение свободного падения,;

Волны – это неотъемлемая часть морской жизни яхтсмена, именно поэтому матерые мореманы всегда уделяют данному вопросу достаточно много времени. А вот почему, узнаем далее.

Все очень просто: волны в значительной мере определяют тот самый уровень комфортности нахождения в море. Большие и быстрые волны способны создать опасную ситуацию для судна и пассажиров на его борту, а маленькие и относительно безобидные волны вы можете даже и не заметить.

В данной статье мы хотели бы уделить внимание именно ветровым волнам, то есть тем, которые образуются под действием ветровых потоков (бывают еще волны, возникающие из-за повышенной сейсмической активности – цунами, влияние луны – приливы, отливы). Любая волна начинается с мелкой ряби на поверхности воды, из которой постепенно развиваются гравитационные волны, увеличивая свою длину и высоту.

Структура волны:

Ветровая волна всегда состоит из переднего и заднего склона, основное отличие их друг от друга заключается в том, что передний склон – это фронт направления волны и он всегда более крутой, а задний – наветренный и пологий. Водная масса в волне двигается практически по круговой траектории. Когда сила ветра стихает волна преобразуется в зыбь. На практике чаще всего наблюдается смешанное волнение: зыбь и ветровые волны одновременно.

Основные характеристики волн:

- Высота волн

Чаще всего под определением высота волны подразумевают именно значительную высоту ее волнения. Что это означает? Значительная высота определяется, как третья часть от самой наивысшей волны. В реальности наивысших волн будет мало, большинство волн будет иметь высоту ниже.

Крутизна волн

Данная величина может быть выражена простой формулой: отношение высоты волны к половине ее длины. Соответственно, чем выше волна, тем она круче.

Скорость волн

Кроме высоты и крутизны волны опытных яхтсменов также интересует такая величина, как скорость волны. Рассчитать ее можно по формуле длина волны / период волны. Отсюда вывод – чем длиннее волна, тем больше ее скорость.

Ветровые волны являются гравитационными, так как ветер – это та сила, которая при воздействии на водную поверхность выводит жидкость из состояния равновесия, а сила тяжести заставляет ее возвращаться в исходное состояние. Благодаря инерции движение осуществляется в виде последовательных колебаний частиц воды, которые при достаточно большой глубине движутся по круговым орбитам и сообщают нижележащим слоям такое же движение, ослабляющееся по мере удаления от поверхности воды. Из этого следует, что волнения быстро затухают с глубиной. Если глубина водоема ограничена, то трение о дно оказывает влияние на форму орбит: с глубиной они, уменьшаясь в абсолютных значениях становятся все более вытянутыми и принимают форму эллипса, а в природном слое частицы двигаются лишь в горизонтальном направлении. Видимая часть волны перемещается в пространстве в виде поступательного движения волн. По внешнему виду формы волны волнение подразделяется на двухмерное и трехмерное. Как правило, двухмерное волнение встречается на открытых акваториях морей и океанов после окончания действия ветра. На внутренних водоемах почти не встречаются ветровые волны правильной формы, так как воздействие даже постоянного по направлению и скорости ветра осуществляется в форме неодинаковых импульсов, передаваемых водной массе. Изменчивость ветра по направлению может вызывать присутствие в водоеме одновременно нескольких систем волн, при наложении которых друг на друга создается сложная картина трехмерного ветрового волнения, гребни волн, которого не создают правильной линии фронта, а располагаются в условном шахматном порядке. Форма и размер волн определяются их элементами. Для наглядности рассмотрим волновые колебания в фиксированной точке водоема при прохождении через нее волн, а также волновой профиль – сечение взволнованной поверхности в фиксированный момент времени вертикальной плоскостью в главном направлении распространения волн . (См. рисунок 2.1)

Рисунок 2.1 Профиль и элементы волн

По степени развития ветрового волнения различают нарастающие, установившиеся и затухающие волнения. Характерным признаком нарастающего волнения является то, что размеры волн еще не достигли тех величин, которые они должны иметь при длительном действии ветра данного направления и скорости. Установившееся волнение характеризуется тем, что рост волн прекращается, не смотря на дальнейшее увеличение скорости ветра. Ученые предполагают, что это явление наступает при соотношении между скоростью распространения волн и ветра, равном 0.8, так как при этом величина передаваемой ветром энергии будет равна ее диссипации, помимо этого величина передаваемой ветром энергии будет уменьшаться, вследствие усиления поступательного движения волн. Затухающие волнение присутствует, когда происходит затухание ветра и водная масса еще не пришла в равновесие. Высоты волн при затухающем волнении, как правило ниже, чем при установившемся, и постепенно сходят на нет. Размеры ветровых волн зависят от ряда факторов, основными из которых являются: продолжительность действия ветра и скорость, длина разгона – расстояние от подветренного берега до расчетной точки, глубина водоема и очертание береговой линии. На внутренних водоемах влияние данных факторов проявляется иначе, чем на открытых акваториях морей и океанов, где основную роль в развитии волн играет ветер, скорость и направление которого меняются по акватории, так как разгоны достигают сотен и даже тысяч километров. И только вблизи береговой линии на мелководий глубины и очертания берегов влияют на волны. На внутренних водоемах, и их сравнительно небольшими размерами акваторий, направление и скорость ветра нередко можно считать постоянными по площади акватории и определять по данным наблюдений прибрежных метеорологических станций. Ограниченные размеры акваторий являются также причиной того, что на водохранилищах и озерах ветер в течение короткого времени развивает волнение до установившегося состояния, и волны достигают предельного развития уже через несколько часов после начала действия устойчивых по скорости ветров. При постоянном ветре статистические характеристики волнения не изменяются со временем. Четкие границы установившегося волнения точно не определены, и разные ученые оценивают его по разному. Главной особенностью ветрового волнения на внутренних водоемах является его практическая независимость от длительности действия ветра. Волнение и затухает достаточно быстро вслед за ветром, поэтому на внутренних водоемах практически не встречается зыби.

Все водоемы или их участки по условиям воздействия глубины на волнения делятся на глубоководные – с глубинами более половины длины волны (Н>), мелководные – с глубинами меньше половины длины волны и уклоном дна меньше 0.001 (Н≤,i≤0.001) и смешанные, в которых вдоль разгона имеют место как глубоководные, так и мелководные условия волнообразования, а уклоны дна принимают значения больше и меньше 0.001. Понятия «мелководные и глубоководные» водоемы достаточно относительны: одна и та же акватория может быть, как глубоководной так и мелководной в зависимости от параметров волнения. В большинстве случаев на водохранилищах из за сложного рельефа дна на пути разгона, глубина играет решающую роль в волнообразующих процессах. И расчет глубины подлежит тщательному учету при расчетах ветрового волнения. Количественное влияние глубины на формирование ветровой волны оценивается по разному: одни исследователи предлагают учитывать глубину в точке расчета, другие – среднюю глубину на профиле разгона, третьи – смену глубин по расчетному профилю от участка к участку (метод шагов). Значительную роль играют глубины в формировании волн в условиях водохранилищ и небольших озер. Она тесно связана с морфометрическими характеристиками особенностями водохранилищ, с режимом их эксплуатации, с уровневым режимом. К примеру на Рыбинском водохранилище, представляющем собой затопленное междуречье с глубинами 7-9 м, учет глубины совершенно необходим, так как в случае навигационной сработки водохранилища на 2 м (не заполнения водохранилища до нормального подпорного уровня – НПУ) глубина может существенно ограничивать рост волн на всей акватории. Обратная ситуация на водохранилищах с высоконапорными плотинами (Братское, Красноярское) глубина практически не оказывает влияния на формирование волн, так как при глубинах от 20 до 100 м у плотины эти водоемы могут быть отнесены к глубоководным. Для «смешанных водоемов» (Куйбышевское, Цимлянское водохранилища) характерно более значительное влияние глубины на высоту волны на верхних участках, чем в приплотинной части, близкой по условиям к глубокой воде. Ограничивающее влияние глубины на верхних участках особенно заметно в условиях летней сработки водохранилищ сезонного и многолетнего регулирования. А также при не заполнении водохранилищ многолетнего регулирования до НПУ. На значительных равнинных водохранилищах при колебаниях уровней в без ледовый период 2-3 м значительно изменяется площадь акватории, разгон волн и глубина. В связи с этим в расчетах ветрового волнения необходимо учитывать колебания уровня в без ледовый период. Воздействие глубины на ветровое волнение на замкнутых внутренних водоемах также выражается и в ограничении развития высот волн, когда по условиям разгона и скорости ветра волны могли бы расти. В таких случаях следует говорить о действующем или предельном разгоне при данных ветровых условиях, последующее увеличение которого уже не влечет за собой развития волнения. При максимальной для внутренних водоемов скоростях ветра (20 – 25 м/с) величина действующего разгона составляет около 100 км. Прибрежная полоса как мелководных, так и глубоководных водоемов делиться на четыре зоны, в пределах которых условия волнообразования и характер волнения имеет свои специфические особенности.

При рассмотрении этих зон приняты следующие обозначения: Нкр – глубина, на которой разбиваются волны данной высоты (Нкр=2h),

λ – средняя длина волны на глубокой воде, h – средняя высота волн, которая могла бы наблюдаться на глубокой воде, h 1 – средняя высота волн, которая могла бы наблюдаться в любой точке второй зоны при условии, что Н – глубина воды на границе между первой и второй зонами (переход от уклона i≤0.001 к уклонам i>0.001).

Первая зона – глубоководная (если водоем глубоководный) или мелководная (если водоем мелководный).

Вторая зона – зона трансформации волн, распространяющихся из первой зоны к берегу в направлении уменьшения глубин. В глубоководных водоемах к ней относиться прибрежная полоса воды с глубинами Н кр 0.001, а в мелководных – прибрежная полоса воды с глубинами Н>H кр, и уклонами i>0.001, Hкр=2h 1.

Третья зона – зона прибоя, с глубинами H обр

Четвертая зона – зона наката, приурезовая, на границе которой при Н обр =0.65 Н кр происходит окончательное разрушение всех волн и образование наката – прибойного потока воды на берег.

На внутренних водоёмах со сложным рельефом дна по условиям волнообразования вторая и третья зоны могут занимать не только прибрежную полосу, но и располагаться на удаленных от берега мелководных участках водоема. Важными факторами определяющими ветровое волнение на внутренних водоемах, является их конфигурация, изрезанность береговой линии и наличие на пути разгона препятствий (мысов, островов). Таким образом, из за ряда перечисленных особенностей волнообразования ветровое волнение на внутренних водоемах является сложным, трехмерным, а в силу ограниченной глубины крутизна волн значительно больше, чем у морских. В связи с этим теоретические методы расчетов элементов волн, разработанные для морских условий, оказываются непригодными для внутренних водоемов. В настоящее время широкое развитие получили эмпирические методы расчетов элементов волн, а также полуэмпирические, основанные на использовании уравнения баланса волновой энергии с привлечением эмпирических коэффициентов. Наиболее перспективны спектральные метод расчетов элементов ветровых волн.