Động lực học ứng dụng về sóng mặt đại dương quyển 1d

Chiang C Mei §éng lùc häc øng dông vÒ sãng mÆt ®¹i d−¬ng QuyÓn 1 Biªn dÞch Phïng ®¨ng hiÕu Ph¹m V¨n HuÊn Hμ Néi − 2003 Môc lôc Lêi më ®Çu 2 Ch−¬ng 1 − Giíi thiÖu 3 1 1 Tæng quan nh÷ng kÕt luËn c¬ b¶n[.]

Chiang C Mei

Động lực học ứng dụng

về sóng mặt đại dương

Quyển 1

Biên dịch: Phùng đăng hiếu Phạm Văn Huấn

Hμ Nội ư 2003

Mục lục

Lời mở đầu 2

Chương 1 ư Giới thiệu 3

1.1 Tổng quan những kết luận cơ bản về chất lỏng không nén vμ mật độ không đổi 4

1.2 Phép xấp xỉ tuyến tính hóa đối với sóng biên độ nhỏ 6

1.3 Những nhận xét cơ bản về sóng lan truyền 8

1.4 Sóng tiến trên vùng nước độ sâu không đổi 9

1.5 Vận tốc nhóm sóng 11

Chương 2 - Sự truyền của các sóng ngắn trong biển mở độ sâu không đổi 14

2.1 Các bμi toán xung hai chiều 15

2.2 Sự phản hồi ba chiều ngắn hạn đối với các xung từ đáy 24

2.3 Sự lan truyền của một chùm sóng phân tán 31

2.4 Chuỗi sóng biến đổi chậm phép phân tích đa quy mô 33

Chương 3 - Khúc xạ do sự biến đổi chậm của độ sâu hoặc của dòng chảy 39

3.1 Phép xấp xỉ quang hình cho các sóng tiến trên nền đáy biến đổi đều 39

3.2 Lý thuyết tia cho các sóng dạng sin, nguyên lý Fermat 42

3.3 Các đường đẳng sâu thẳng vμ song song 43

3.4 Các đường đẳng sâu dạng cung tròn 49

3.5 Phương trình gần đúng kết hợp khúc xạ vμ tán xạ trên nền đáy biến đổi chậm ư Phương trình độ nghiêng nhỏ 56

3.6 Xấp xỉ quang hình đối với khúc xạ do dòng chảy vμ độ sâu biến đổi chậm 58

3.7 Các hiệu ứng vật lý của dòng chảy đơn giản ổn địng lên sóng 63

Chương 4 - Sóng dμi biên độ nhỏ vô hạn trên nền đáy biến đổi đáng kể 70

4.1 Xây dựng lý thuyết sóng dμi tuyến tính hoá 70

4.2 Độ sâu gián đoạn ư sóng tới vuông góc 74

4.3 Độ sâu gián đoạn - sóng tới xiên 81

4.4 Sự Phân tán ở thềm hoặc máng độ rộng hữu hạn 83

4.5 Sự truyền qua vμ phản xạ ở vùng độ sâu biến đổi chậm 86

2

4.6 Sóng bị bẫy trên luống đất dốc 89

4.7 Một số đặc điểm chung của các bμi toán một chiều ư Các hμi bẫy vμ ma trận tản mát 93

4.8 Các sóng rìa trên nền độ dốc không đổi 98

4.9 Các đường đẳng sâu dạng cung tròn 99

4.10 Đón sóng tới trên cấu trúc địa hình nhỏ ư xấp xỉ Parabolic 103

4.11 Phương pháp số dựa trên các phần tử hữu hạn 106

Phụ lục 4.A: Khai triển không gian đối với sóng phẳng 114

Chương 5 - Dao động cảng do tác động sóng dμi 115

5.1 Giới thiệu 115

5.2 Thiết lập các bμi toán dao động cảng 116

5.3 Các hμi tự nhiên trong vịnh kín hình dạng đơn giản vμ độ sâu không đổi 117

5.4 Khái niệm suy giảm phát xạ: một ví dụ về mô hình 119

5.5 Hiện tượng nhiễu xạ ở khe hẹp 121

5.6 Phân tán do một kênh hoặc vịnh hẹp dμi 125

5.7 Cảng hình chữ nhật với cửa hẹp 130

5.8 Tác dụng của đê chắn sóng nhô ra biển 138

5.9 Cảng có hai thủy vực thông nhau 145

5.11 Phản ứng cảng đối với sóng tới ngắn 150

Phụ lục 5.A: Hμm nguồn đối với vịnh hình chữ nhật 155

Phụ lục 5.B: Tổng của chuỗi G~ 156

Phụ lục 5.C: Chứng minh nguyên lý biến thiên 157

Phụ lục 5.D: Ước lượng tích phân 157

Chương 6 - Các hiệu ứng tổn thất cột nước tại eo hẹp đối với sự phân tán sóng dμi: Lý thuyết thuỷ lực 158

6.1 Sự phân tán một chiều bởi đê chắn sóng dạng sẻ rãnh hoặc dạng lưới lỗ 159

6.2 ảnh hưởng của tổn thất cửa lên các dao động của cảng 168

Phụ lục 6.A: Các phép xấp xỉ tích phân đối với ka<< 1 174

Tμi liệu tham khảo 176

Lời người dịch

Những năm gần đây công tác nghiên cứu biển phục vụ hoạt

động xây dựng vμ khai thác các công trình biển ở nước ta bắt đầu

hình thμnh vμ ngμy cμng phát triển Việc quản lý, khai thác hiệu

quả các công trình xây dựng vμ kỹ thuật trên biển thường đòi hỏi

chuyên gia hiểu biết về các quá trình biển, trong đó chuyển động

sóng vμ tương tác giữa sóng với công trình lμ một yếu tố quan trọng

bậc nhất ở các trường đại học của nước ta dần dần đã xây dựng

thêm những bộ môn vμ chuyên ngμnh đμo tạo tương ứng nhằm mục

tiêu cung cấp các chuyên gia phục vụ trong lĩnh vực kinh tế nμy

Sách "Động lực học ứng dụng về sóng mặt đại dương" của

Chiang Mei lμ một cuốn sách đầu tiên trong loạt sách chuyên khảo

nâng cao về Kỹ thuật biển của Khoa Kỹ thuật xây dựng, Học viện

Công nghệ Massachusets (Mỹ) Tác giả cuốn sách lμ một chuyên gia

lớn trong lĩnh vực nghiên cứu nμy

Biên dịch cuốn sách, chúng tôi nhằm mục đích cung cấp cho

các nhμ khoa học nghiên cứu biển ở nước ta một tμi liệu hệ thống,

kỹ lưỡng về những kiến thức cơ bản vμ hiện đại nhất liên quan tới

động lực học, sự diễn biến của sóng đại dương khi nó lan truyền

vμo đới ven bờ vμ tương tác với đới bờ, các công trình biển vμ cảng

Sách được bố cục theo kiểu đúc kết các bμi giảng của tác giả,

việc thiết lập các bμi toán vμ giải được diễn giải hệ thống với một

dung lượng vật lý vμ toán học thích hợp cho cả những sinh viên vμ

học viên sau đại học Chúng tôi hy vọng rằng sách cũng sẽ có giá trị

như một tμi liệu giảng dạy, tham khảo cho giáo viên vμ tμi liệu học

tập cho người học

Nguyên bản sách gồm 13 chương Mỗi chương đề cập tới một

nhóm vấn đề liên quan tới một khía cạnh sử dụng vμ khai thác các

công trình biển vμ có đặc điểm phương pháp luận vμ phương pháp nghiên cứu, phương pháp trình bμy riêng Do khuôn khổ lớn của sách, chúng tôi cấu tạo lại thμnh hai quyển: quyển 1 vμ quyển 2 để tiện xuất bản Trong quyển 1 gồm 6 chương đầu của cuốn sách Quyển 1 mở đầu bằng chương 1 vμ chương 2 tổng quan những kiến thức cơ bản về chuyển động của chất lỏng không nén mật độ không

đổi lμm cơ sở nghiên cứu chuyển động sóng mặt đại dương Chương

3 giới thiệu các phương pháp của quang hình học để khảo sát sự khúc xạ các sóng khi chúng lan truyền vμo đới ven bờ – một hiện tượng quan trọng quyết định đặc điểm, hμnh vi, diễn biến của các sóng vμ trường sóng, hình thμnh nên nhiều đặc điểm động học vμ phân bố năng lượng sóng ở đới ven bờ có những ứng dụng thiết thực Chương 4 khái quát lý thuyết diễn biến của sóng biên độ nhỏ trên nền đáy biến thiên đáng kể, nét đặc trưng của đới ven bờ vμ bắt đầu khảo sát những hiệu ứng liên quan Tiếp theo, các chương

5 vμ 6 lần lượt giới thiệu những kết quả nghiên cứu các hiệu ứng

đối với các hình thái vμ cấu tạo cảng, đê chắn sóng khác nhau như

lμ những thí dụ đầu tiên ứng dụng lý thuyết tuyến tính

Những chương còn lại của sách đề cập tới các nhóm vấn đề khác của động lực học sóng mặt đại dương liên quan tới hiện tượng tán xạ vμ nhiễu xạ, phân tán, mất mát năng lượng vμ lý thuyết sóng phi tuyến, chúng tôi sẽ bố cục vμo quyển 2

Do kiến thức có hạn của những người biên dịch vμ nội dung rộng lớn của sách, chắc chắn trong khi truyền đạt sang tiếng Việt

có những sai sót vμ chưa chính xác về khái niệm, thuật ngữ, tên gọi hiện tượng Chúng tôi mong được các chuyên gia góp ý cụ thể để hoμn thiện bản dịch trong những lần xuất bản sau

Tập thể biên dịch

West B J (1981) Deep Water Gravity Waves Springer-Verlag, Berlin

Whitham G B (1962) Mass, momentum and energy flux in water waves J

Fluid Mech 12: 135-147

Whitham G B (1965) Nonlinear dispersive waves Proc R Soc Lond A 283:

238-261

Whitham G B (1967) Nonlinear dispersion of water waves J Fluid Mech 27:

399-412

Whitham G B (1974) Linear and Nonlinear Waves, Wiley-Interscience, New

York

Whitham G B., (1976) Nonlinear effects in edge waves J Fluid Mech 74:

353-368

Wiegel R L (1960) A presentation of enoidal wave theory for practical

application J Fluid Mech 7: 273-286

Wiegel R L (1964) Oceanographical Engineering, Prentice-Hall, Englewood

Cliffs, N.J

Wilson B W and A Torum (1968) The tsunami of the Alaskan earthquake

1964: engineering evaluation Technical Memo No 25 Coastal Engineering

Research Center, U.S Army Corps of Engineers

Wirt L and T ffiggins (1979) DAM-ATOLL: Ocean Wave Energy Extraction,

Marine Technology Society Meeting, New Orleans, La., Oct 11-12

Wooley M and J Platts (1975) Energy on the crest of a wave New Scientist 66:

241-243

Wu T Y (1957) Water waves generated by the transiatory and oscillatory

surface disturbance California Institute of Technology, Engineering Division

Report No 85-3

Yamaguchi M and Y Tsuchiya (1974) Non-linear effect of waves on wave

pressure and wave force on a large cylindrical pile Proc Civil Eng Japan

229: 41-53 (in Japanese)

Yamamoto T (1977) Wave induced instability in scabeds Proc ASCE

Specialty Conf.: Coastal Sediments Charleston, South Carolina

Yamamoto T (1982) Nonfinear mechanics of ocean wave interaction with sediment beds Appl Ocean Res 4: 99-106

Yamamoto T., H L Koning, H Selimeigher and E V Hijum (1978) On the response of poro-elastic bed to water waves J Fluid Mech 87: 193-206 Yeung R W (1975) A hybrid integral equation method for time-harmonic free surface flow Proc Ist Int Conf Num Ship Hydrodyn David Taylor Naval Ship Research and Development Center 581-607

Yeung R W (1982) Numerical methods in free-surface flows Ann Rev Fluid Mech 14: 395-442

Yue D K P (1980) Numerical theory of Stokes wave diffraction at grazing incidence, Se.D Thesis, Department of Civil Engineering, Massachusetts Institute of Technology

Yue D K P., H S Chen and C C Mei (1976) Water wave forces on three-dimensional bodies by a hybrid element method Parsons Laboratory, Dept

of Civil Engineering, Massachusetts Institute of Technology Technical Report 215

Yue D K P., H S Chen and C C Mei (1978) A hybrid element method for diffraction of water waves by three-dimensional bodies Int J Num Methods Engineering 12: 245-266

Yue D K P., and C C Mei (1980) Forward diffraction of Stokes waves by a thin wedge J Fluid Mech 99: 33-52

Yuen H C and W E Ferguson, Jr (1978a) Relationship between Benjamin-Feir instability and recurrence in the nonlinear Schrodinger equation Phys Fluids 21: 1275-1278

Yuen H C and W E Ferguson, Jr (1978b) Fermi-Pasta-Ulam recurrence in the two space dimensional nonlinear Schrodinger equation Phys Fluids 21: 2116-18

Yuen H C and B M Lake (1975) Nonlinear deep water waves: Theory and

experiment Phys Fluids 18: 956-960

Yuen H C and B M Lake (1980) Instabilities of waves on deep water Ann

Rev Fluid Mech 12: 303-334

Zabusky N J (1968) Solitons and bound states of the time independent

Schrondinger equation Phys Rev 168: 124-128

Zabusky N J and C J Galvin (1971) Shallow-waterwaves, the Korteweg-

deVries equation and solitons J Fluid Mech 47: 811-824

Zabusky N J and M D Kruskal (1965) Interaction of solitons in a collisionless

plasma and the recurrence of initial states Phy Rev Lett IS: 240

Zakharov V E (1968) Stability of periodic waves of finite amplitude on the

surface of a deep fluid J Appl Mech Tech Phys 2: 190-194

Zakharov V E and A B Shabat (1972) Exact theory of two-dimensional

shelf-focusing and one-dimensional self modulation of waves in nonlinear media

Sov Phys JETP 34: 62-69

Zakharov V E and A B Shabat (1973) Interaction between solitons in a stable

medium Sov Phys JETP 37: 823-828

Zenkovich V (1967) Processes of Coastal Development Oliver and Boyd,

London

Zienkiewicz O C (1971) Finite Element Method in Engineering Science,

McGraw-Hill New York