Động lực học ứng dụng về sóng mặt đại dương ( Quyển 1 ) - Chương mở đầu pptx

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 s

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

2

Lời mở đầu

Trong 20 năm qua nhân loại ngμy cμng tích luỹ thêm các kiến thức về

động lực các sóng mặt đại dương Do nhu cầu thuần tuý khoa học, ngμnh

nghiên cứu địa vật lý đã thu được những thμnh tựu nhất định Một loạt những

tiến bộ đã đạt được do số lượng các dự án lớn về xây dựng cảng ngoμi khơi vμ

dọc bờ biển ngμy cμng tăng Với một dự án lớn thì không những cần dự báo

thận trọng về điều kiện sóng gần nơi thi công công trình, mμ còn cần có

những tin cậy về tác động của sóng lên công trình vμ của bản thân công trình

lên môi trường xung quanh Để có những hiểu biết khoa học, kỹ thuật tổng

quát về sóng đại dương, các chương trình nghiên cứu vμ đμo tạo đã hình

thμnh ở nhiều trường đại học vμ trong các ngμnh khác nhau trên thế giới

Cuốn sách nμy đúc kết những bμi giảng của Chiang C Mei tại các khoá

học gồm hai học kỳ tại MIT cho sinh viên sau đại học về kỹ thuật xây dựng

vμ hải dương học Mục đích của sách lμ trình bμy các chủ đề chọn lọc mang

tính lý thuyết về động lực học các sóng mặt đại dương, bao gồm những

nguyên lý cơ bản vμ việc áp dụng những nguyên lý đó vμo kỹ thuật đới bờ vμ

ngoμi khơi Sách chủ yếu đề cập đến lý thuyết tuyến tính, lý thuyết nμy đã

được xây dựng phục vụ những nghiên cứu lý thuyết Lý thuyết tuyến tính phi

nhớt được giới thiệu từ chương 1 đến chương 5 vμ tái đề cập ở chương 7 Hiệu

ứng ma sát do nhớt gây ra trực tiếp hoặc gián tiếp được trình bμy ở chương 6,

8 vμ 9 Hiệu ứng đặc biệt của sóng đổ trên bãi biển được xét trong chương 10

Chương 9 vμ chương 10 tập trung nghiên cứu các hiệu ứng phi tuyến thứ cấp

Hy vọng tμi liệu nμy sẽ có ích vμ thúc đẩy sự hợp tác giữa các nhμ nghiên cứu

ở nhiều lĩnh vực khác nhau

Vì trong lĩnh vực khoa học nμy có sự đóng góp rất lớn của các nhμ toán

học, nên việc sử dụng các phép phân tích toán học có thể còn xa lạ với một số

độc giả lμ một điều không tránh khỏi Vì vậy, trong sách giμnh nhiều phần để

giải thích hoặc mô tả theo ngôn ngữ thông dụng về những phép phân tích

thường không được trình bμy trong các khoá học về tính toán nâng cao Phép

khai triển các kết quả được trình bμy chi tiết để giảm bớt khó khăn cho những người còn đang theo học các kiến thức cơ bản Trong sách nμy cũng đưa ra một số bμi tập bổ sung, bạn đọc nên coi như lμ phần tự nghiên cứu của mình Nghiên cứu sóng nói chung, sóng trên nước nói riêng, luôn đòi hỏi sự kết hợp chéo giữa các ngμnh khoa học vμ kỹ thuật khác nhau như vật lý, toán học, hải dương học, kỹ thuật điện vμ các chuyên ngμnh khác Cuốn sách nμy

lμ một nỗ lực đáng kể phản ánh sự kết hợp đó vμ hy vọng sẽ thúc đẩy các nhμ khoa học vμ kỹ sư tập trung tμi năng của mình vμo nghiên cứu những tiềm ẩn thách thức của đại dương trong tương lai

Một số lĩnh vực khác không thuộc kinh nghiệm của tác giả hoặc dã được

đề cập trong các sách khác sẽ không trình bμy trong sách nμy Phillips (1977)

vμ LeBlond vμ Mysak (1978) đã nghiên cứu những cơ chế phát sinh sóng gió

vμ các tương tác cộng hưởng Về mô tả thống kê đối với sóng biển ngẫu nhiên thì phần thảo luận chi tiết một cách căn bản nhất bạn đọc có thể tìm thấy trong các xuất bản phẩm của Price vμ Bishop (1974) Cơ học thống kê sóng biển có thể xem trong các cuốn sách của Phillips (1977) vμ West (1981) Những tiến bộ nhanh chóng trong việc khảo sát sóng độ dốc lớn, chủ yếu do M S Longuet-Higgins nghiên cứu, đã thu hút sự quan tâm của các kỹ sư vμ các nhμ hải dương học; các bμi viết của ông vμ các cộng sự theo chủ đề nμy có thể nói không ai sánh bằng về tính rõ rμng vμ tỉ mỉ Những sóng phát sinh do các vật thể di chuyển thuộc loại thủy động lực học các sóng tầu, bạn

đọc có thể thấy trong các chuyên luận của Stoker (1957), Wehausen vμ Laitone (1960), Newman (1977) vμ những ấn bản trước đây của Hội nghị thủy động lực hμng hải Sự phân tách phát sinh do sóng xung quanh các vật thể nhỏ lμ cốt lõi của việc dự báo lực tác động lên công trình ngoμi khơi; đây chính lμ một chủ đề mμ thực nghiệm đóng vai trò quyết định vμ nó đã được trình bμy rất tỉ mỉ trong cuốn sách xuất bản gần đây của Sarpkaya vμ Issacson (1981) Các sóng bão cũng không được trình bμy trong cuốn sách nμy

3

Trong sách chứa đựng nhiều diễn giải toán học, tuy được trình bμy cẩn

thận, nhưng không tránh khỏi một số sai sót Rất mong các độc giả góp ý để

hoμn thiện

Chương 1 ư Giới thiệu

Trong đại dương có nhiều kiểu sóng gây bởi những nhân tố

vật lý khác nhau Giống như trong bμi toán cơ bản về một hệ

đμn hồi, tất cả các sóng phải liên quan tới một loại lực phục hồi

nμo đó Vì vậy, để thuận tiện, nên sơ bộ phân loại các sóng đại

dương tuỳ theo lực phục hồi như trong bảng 1.1

Sóng gió vμ sóng lừng phát sinh bởi bão tại chỗ hoặc bão ở

xa lμ loại sóng mμ con người thường gặp nhiều nhất Loại ít gặp

hơn, nhưng với hậu quả đôi khi rất nặng nề, đó lμ sóng thần,

sóng nμy được xếp vμo loại các dao động chu kỳ dμi, gây bởi

động đất hoặc trượt đất mạnh dưới nước Sóng cũng có thể sinh

ra do hoạt động của con người (như chuyển động tầu, nổ mìn )

vμ những sóng nμy cũng có dải chu kỳ rộng Vì các sóng nμy

thường hiện diện trên mặt nước vμ lực phục hồi chủ yếu lμ

trọng lực, nên chúng được gọi lμ sóng mặt trọng lực Một thuật

ngữ ngắn hơn - sóng mặt, thường được dùng trong trường hợp

không kể tới các sóng mặt mao dẫn

Trong hải dương học có một loại sóng quan trọng lμ sóng nội

trọng lực, xảy ra tại các nêm nhiệt - đó lμ lớp nước phía dưới

mặt biển với cường độ phân tầng mật độ mạnh Chuyển động

sóng của các sóng nμy thường không lộ ra trên mặt nước, ngoại

trừ một số dấu hiệu biểu hiện gián tiếp của chúng Những sóng

nμy góp phần vμo quá trình xáo trộn vμ ảnh hưởng đến độ nhớt

rối của hải lưu Sóng nước dâng do bão lμ hậu quả tức thì của thời tiết địa phương vμ có thể lμm tổn hại nặng nề tới sinh mạng cũng như của cải con người khi nó trμn ngập vùng ven biển

Thực ra, một số lực phục hồi có thể cùng tồn tại, do đó việc phân ra các sóng khác nhau trong bảng 1.1 không phải lμ luôn chính xác

Cuốn sách nμy chỉ đề cập tới những loại chuyển động sóng với qui mô thời gian sao cho sự nén, sức căng bề mặt vμ sự quay của Trái Đất ít quan trọng Ngoμi ra, cũng giả thiết rằng sự phân tầng thẳng đứng trong lớp nước nghiên cứu đủ nhỏ Như vậy, ta chỉ quan tâm đến sóng mặt trọng lực, tức sóng gió, sóng lừng vμ sóng thần Về các loại sóng khác liệt kê ở bảng 1.1 có thể tìm đọc trong những chuyên luận của Hill (1962), LeBlond

vμ Mysak (1978)

Bảng 1.1 Loại sóng, cơ chế vật lý vμ vùng hoạt động

Sóng mao dẫn Sức căng bề mặt <10ư1 giây Sóng gió vμ

sóng lừng

Mặt phân cách nước

ư không khí

Sóng nội Trọng lực vμ phân tầng

mật độ

2 phút ư 10 giờ Lớp đột biến mật độ

Sóng nước dâng do bão

Trọng lực vμ lực quay Trái

Đất

1 ư 10 giờ Gần đường bờ Thuỷ triều Trọng lực vμ lực quay Trái

Đất

12 ư 24 giờ Sóng hμnh tinh Trọng lực, lực quay Trái

Đất vμ biến thiên vĩ độ địa

lý hoặc độ sâu đại dương

O(100 ngμy) Toμn bộ lớp nước đại

dương