風(fēng)浪形成的原理風(fēng)浪有什么特征
風(fēng)浪形成的原理風(fēng)浪有什么特征
風(fēng)浪在風(fēng)直接作用下產(chǎn)生的水面波動(dòng)，風(fēng)浪的生成和成長(zhǎng)的機(jī)制是海浪研究中最基本的問(wèn)題，那么你對(duì)風(fēng)浪的形成了解多少呢?下面就讓學(xué)習(xí)啦小編來(lái)給你科普一下風(fēng)浪形成的原理。
風(fēng)浪形成的原理
風(fēng)在水面吹起波浪，波浪出現(xiàn)后又改變波面附近氣流的流場(chǎng)，因此風(fēng)浪是風(fēng)和水面相互作用的產(chǎn)物。這是一個(gè)極度復(fù)雜的過(guò)程，要嚴(yán)格加以定量分析是十分困難的。早在19世紀(jì)中期和后期，物理學(xué)家開(kāi)爾文和H.von亥姆霍茲，利用平行氣流和氣-水界面的不穩(wěn)定性解釋風(fēng)浪發(fā)生的原因。20世紀(jì)初，物理學(xué)家H.杰弗里斯指出，在風(fēng)作用下波峰兩側(cè)的壓力不對(duì)稱，并依此計(jì)算了風(fēng)浪的成長(zhǎng)。直到40年代初，海洋學(xué)家H.U.斯韋爾德魯普和W.H.蒙克將經(jīng)典液體波動(dòng)理論和觀測(cè)資料結(jié)合起來(lái)，通過(guò)能量平衡計(jì)算出風(fēng)浪的成長(zhǎng)。1957年，O.M.菲利普斯和J.W.邁爾斯分別提出各自的模型,以較嚴(yán)格的力學(xué)方法處理風(fēng)浪的生成和成長(zhǎng)的問(wèn)題。
風(fēng)浪的基本特征
風(fēng)浪中同時(shí)出現(xiàn)許多高低長(zhǎng)短不等的波，波面較陡，波峰附近通常有浪花或大片泡沫，此起彼伏，瞬息萬(wàn)變，初看時(shí)似無(wú)規(guī)律可循，但如果將波高、波長(zhǎng)和周期等量視為隨機(jī)量，就能用統(tǒng)計(jì)學(xué)的觀點(diǎn)，研究風(fēng)浪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并根據(jù)風(fēng)來(lái)計(jì)算一些特征量，如部分大波或各種波的平均波高和平均周期等。這些代表風(fēng)浪強(qiáng)度的特征量，決定于風(fēng)速，風(fēng)作用區(qū)域(風(fēng)區(qū))的長(zhǎng)短或風(fēng)作用時(shí)間(風(fēng)時(shí))的久暫。
在一定風(fēng)速下，風(fēng)浪隨風(fēng)區(qū)的擴(kuò)展和風(fēng)時(shí)的延長(zhǎng)而成長(zhǎng)。在離風(fēng)區(qū)上側(cè)邊界很遠(yuǎn)的地方，風(fēng)浪只隨時(shí)間成長(zhǎng)，處于過(guò)渡狀態(tài);在風(fēng)區(qū)上側(cè)邊界附近，風(fēng)浪只隨至此邊界的距離的增大而成長(zhǎng)，處于定常狀態(tài)。如果風(fēng)速一定，則風(fēng)浪成長(zhǎng)至一定的大小時(shí)，內(nèi)部消耗的能量和從風(fēng)攝取的能量達(dá)到平衡。此時(shí)，即使風(fēng)區(qū)和風(fēng)時(shí)不受限制，風(fēng)浪便不再成長(zhǎng)，而處于充分成長(zhǎng)的狀態(tài)。1983年《袁家山簡(jiǎn)介》：“袁家山，又名呂祖廟、小蓬萊。……據(jù)傳，明天啟日本侵占琉球群島，明皇帝派兵部尚書(shū)袁可立出征，船行至大海中間，風(fēng)浪大作。”
風(fēng)浪的相關(guān)信息
與風(fēng)的關(guān)系
風(fēng)浪是風(fēng)引起的波浪，風(fēng)吹到海面，與海水摩擦，海水受到風(fēng)的作用，隨風(fēng)飄蕩，海面開(kāi)始起伏，形成波浪。隨著風(fēng)速加大和吹風(fēng)時(shí)間增加，海面起伏越來(lái)越大，就形成了波浪。
風(fēng)浪大小和風(fēng)力大小和風(fēng)的作用時(shí)間有密切關(guān)系。南緯40-55度洋面上，是世界著名的大浪區(qū)，海員稱這一緯度為“咆哮的40度”、“瘋狂的40度”，就是因?yàn)槟抢锖Ｃ孢|闊，常年吹猛烈的西風(fēng)，猛烈的風(fēng)暴形成巨大的海浪，是典型的風(fēng)浪。
菲利普斯假定
當(dāng)風(fēng)吹行于水面時(shí)，氣流中的渦以平均風(fēng)速移動(dòng),這時(shí)水面因所受壓力不均勻而產(chǎn)生起伏，形成了波動(dòng)。氣流中的壓力和產(chǎn)生的波動(dòng)，均由頻率(或波長(zhǎng))不同的波動(dòng)成分所構(gòu)成，當(dāng)壓力和波動(dòng)中同一頻率的成分之間發(fā)生共振時(shí)，該頻率的波動(dòng)能量就隨時(shí)間線性地增大，風(fēng)浪即通過(guò)此過(guò)程生成和成長(zhǎng)。他認(rèn)為生成的波對(duì)氣流中的渦和壓力的結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生影響，氣流和波動(dòng)是非耦合的。對(duì)于初生的小波，這個(gè)假定尚可接受，故上述的共振機(jī)制，理論上適用于風(fēng)浪的生成和成長(zhǎng)的初始階段。但測(cè)量出的共振理論所需的風(fēng)中的壓力起伏，難以產(chǎn)生實(shí)際的風(fēng)浪。有的實(shí)驗(yàn)還表明，初生風(fēng)浪的能量隨時(shí)間按指數(shù)律成長(zhǎng)，且有可能采用其他機(jī)制取代菲利普斯的共振機(jī)制。
在利用兩種流體的界面不穩(wěn)定性來(lái)探討風(fēng)浪的生成和成長(zhǎng)機(jī)制的種種嘗試中，最重要的為邁爾斯的切流不穩(wěn)定性理論。他根據(jù)風(fēng)的湍流性質(zhì)，假定水面上的平均風(fēng)速隨高度依對(duì)數(shù)律分布，然后引入水面的小振幅波動(dòng)(見(jiàn)海浪)，它使原來(lái)的平行氣流受到干擾，而產(chǎn)生和波動(dòng)相聯(lián)系的運(yùn)動(dòng)及相應(yīng)的應(yīng)力。因此，在理論上可證明風(fēng)在臨界層(位于平均風(fēng)速等于波速的高度)損失的能量和動(dòng)量，是通過(guò)這種應(yīng)力向下傳遞，最后由壓力傳輸給波浪的。風(fēng)傳給波浪的能量，隨時(shí)間按指數(shù)律成長(zhǎng)。這種理論適用于解釋較大的風(fēng)浪的成長(zhǎng)。20多年來(lái)，菲利普斯的共振機(jī)制和邁爾斯的切流不穩(wěn)定機(jī)制，被用來(lái)描述風(fēng)浪生成和成長(zhǎng)的兩個(gè)階段，邁爾斯還將它們納入一個(gè)聯(lián)合的模型中。
計(jì)算方法
在50年代各國(guó)提出的許多風(fēng)浪要素計(jì)算方法中，除早期的特征波方法和譜方法仍被采用外，主要的趨勢(shì)是發(fā)展數(shù)值方法。數(shù)值模型雖然很多，但其共同的困難是，方程中包含的能量攝取和消耗的源函數(shù)難以準(zhǔn)確計(jì)算。因此，一部分學(xué)者轉(zhuǎn)而使譜參量化，并就譜中參量建立方程以求其數(shù)值解。但是，這些理論方法都存在困難。由于觀測(cè)技術(shù)的改進(jìn)，已累積了豐富的資料，使經(jīng)驗(yàn)的風(fēng)浪計(jì)算公式和譜方法仍然受到重視。
理論發(fā)展
多數(shù)觀測(cè)表明，邁爾斯的不穩(wěn)定性機(jī)制提供的能量，遠(yuǎn)小于風(fēng)浪成長(zhǎng)的實(shí)際需要。為了改進(jìn)這個(gè)理論，曾進(jìn)行大量的觀測(cè)工作和理論工作，主要內(nèi)容為：①引入波動(dòng)和氣流湍流間的相互作用。這是在邁爾斯模型中所未考慮的。②在使用的方程中保留非線性項(xiàng)，用數(shù)值方法求解。
70年代的風(fēng)浪理論研究還包括：氣流流線自波面分離所致的遮欄作用，波面破碎的影響，波和波間的非線性相互作用，氣流對(duì)波面的切向作用力在能量傳遞中的作用，切流不穩(wěn)定性機(jī)制于風(fēng)浪生成階段的應(yīng)用等。進(jìn)入80年代后，出現(xiàn)了斯托克斯波取代小振幅波作為研究風(fēng)浪的基礎(chǔ)的理論，它雖然使用了嚴(yán)密的力學(xué)方法和現(xiàn)代化的測(cè)量手段，然而對(duì)復(fù)雜的風(fēng)浪的生成和成長(zhǎng)問(wèn)題，仍然處于探索階段。
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