- Trang Chủ
- Địa Lý
- Các nguyên lý của dòng chảy chất lỏng và sóng mặt trong sông, cửa sông, biển và đại dương - Chương 9
Xem mẫu
- Ch¬ng 9. Dßng kh«ng æn ®Þnh: sãng Ng¾n trªn mÆt
9.1. Më ®Çu
Sãng ng¾n trªn mÆt tù do lµ sãng dao ®éng ®îc ®Æc trng bëi ®é cao, ®é dµi, chu
kú, vËn tèc lan truyÒn vµ híng cña chóng. Chu kú sãng lµ kho¶ng thêi gian gi÷a
nh÷ng lÇn ®i qua hai ®Ønh sãng liªn tiÕp t¹i mét vÞ trÝ ®· cho. Híng sãng (vµ còng lµ
híng giã) ®îc ®Þnh nghÜa lµ híng mµ tõ ®ã sãng ®ang ®Õn so víi híng B¾c. Nh
vËy, híng sãng 900 cã nghÜa sãng ®Õn tõ phÝa §«ng. Híng sãng ngîc víi híng dßng
ch¶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 phi
thuû tÜnh. Sãng ng¾n trªn mÆt tù do thêng ph¸t sinh bëi lùc giã. Sãng ng¾n lan truyÒn
trong mét vïng díi ¶nh hëng cña lùc giã ®îc gäi sãng giã hoÆc sãng biÓn. Nh÷ng ®Æc
trng sãng giã ®îc x¸c ®Þnh bëi ®µ giã, lµ kho¶ng c¸ch mµ qua ®ã giã thæi, bëi vËn tèc
giã vµ bëi thêi gian giã thæi. Cïng mét lóc, giã ph¸t sinh ra c¸c sãng cã nhiÒu ®é cao, ®é
dµi 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 hiÖn
gièng 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. Sãng
ng¾n víi chu kú gi÷a 30 vµ 300 s ®«i khi ®îc gäi lµ sãng díi träng lùc mµ chuyÓn
thµnh 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 vµ
ma 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) vµ
theo Híng dÉn B¶o vÖ Bê (1984).
9.2. Lý thuyÕt sãng tuyÕn tÝnh vµ phi tuyÕn
9.2.1. 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 hîp
sãng mÆt tù do chu kú ng¾n trong níc s©u, chuyÓn ®éng sãng kh«ng tr¶i réng ®Õn ®¸y
vµ do ®ã kh«ng thÓ ph¸t sinh sù quay. Trong níc n«ng chuyÓn ®éng sãng ®¹t ®Õn ®¸y
vµ ph¸t sinh líp biªn sãng víi dßng quay. Tuy nhiªn, líp biªn nµy rÊt máng (0,01 m) do
chu kú cña sãng nhá. Dßng ch¶y sÏ ®¶o ngîc tríc khi mét bÒ dµy líp biªn ®¸ng kÓ
ph¸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 ®¸y
vµ 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 mÆt
ph¼ng th¼ng ®øng x - z lµ ph¬ng tr×nh liªn tôc (ph¬ng tr×nh 5.2.2) vµ ph¬ng tr×nh
chuyÓn ®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
g0
U W (9.2.3)
z z
t x
trong ®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 ®Þnh
nghÜa 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:
213
- 2 2
0.
(9.2.5)
x 2 z 2
Thay ph¬ng tr×nh (9.2.4) vµo nh÷ng ph¬ng tr×nh Euler (9.2.2), (9.2.3) vµ s¾p xÕp
l¹i, ¸p dông ph¬ng tr×nh liªn tôc (9.2.1) cuèi cïng cho ta:
1 2 1 2 P
( ) ( ) gz ] 0
[ (9.2.6)
x t 2 x 2 z
1 2 1 2 P
( ) ( ) gz ] 0 .
[ (9.2.7)
z t 2 x 2 z
Nh vËy, tæng nh÷ng sè h¹ng trong dÊu mãc kh«ng ®æi theo kh«ng gian, nhng cã
thÓ thay ®æi theo thêi gian, cho ta:
1 2 1 2 P
( ) ( ) gz F (t ) .
(9.2.8)
t 2 x 2 z
Gi¸ trÞ hµm phô thuéc thêi gian F(t) kh«ng mang ý nghÜa vËt lý ë ®©y (sãng æn
®Þnh) vµ ®îc lÊy lµ F(t) = 0, cho ta:
1 2 1 2 P
( ) ( ) gz 0 .
(9.2.9)
t 2 x 2 z
Ph¬ng tr×nh (9.2.9) lµ ph¬ng tr×nh Bernoulli cho dßng kh«ng æn ®Þnh, hîp lÖ t¹i
mçi ®iÓm trong miÒn dßng ch¶y.
9.2.2. Lý thuyÕt sãng tuyÕn tÝnh biªn ®é nhá
2
Gi¶ thiÕt r»ng dao ®éng mùc níc nhá, nh÷ng sè h¹ng phi tuyÕn ( ) vµ
x
2
( ) biÓu thÞ gia tèc ®èi lu phi tuyÕn cã thÓ bá qua, ta cã ph¬ng tr×nh Bernoulli
z
tuyÕn tÝnh sau:
P
gz 0
(9.2.10)
t
trong ®ã z = täa ®é th¼ng ®øng, chiÒu d¬ng híng lªn trªn tÝnh tõ mÆt níc (xem h×nh
9.1).
Lý thuyÕt sãng tuyÕn tÝnh hîp lÖ ®èi víi sãng tiÕn biªn ®é nhá trong chÊt láng
®ång nhÊt cã ®é s©u kh«ng ®æi.
§Ó gi¶i ph¬ng tr×nh (9.2.5) vµ (9.2.10), nh÷ng ®iÒu kiÖn biªn cÇn thiÕt lµ:
+ ®iÒu kiÖn ®éng häc t¹i z = - h lµ: W = 0 hoÆc
0 (9.2.11)
z
214
- dz dx
cho ta W U
+ ®iÒu kiÖn ®éng häc t¹i z = x,t lµ: hoÆc
dt x dt t x t
(9.2.12)
z x x t
P
gz 0 víi P = 0 cho ta
+ ®iÒu kiÖn ®éng lùc t¹i z = x,t lµ:
t
g 0 .
(9.2.13)
t
H×nh 9.1. Sãng tiÕn biªn ®é nhá trªn mÆt tù do
Nh÷ng ph¬ng tr×nh (9.2.12) vµ (9.2.13) chØ râ nh÷ng ®iÒu kiÖn biªn t¹i mÆt tù do z
= x,t lµ mét trong nh÷ng biÕn cha biÕt sÏ ®îc gi¶i. VÊn ®Ò nµy cã thÓ gi¶i quyÕt b»ng
viÖc xÊp xØ ph¬ng tr×nh (9.2.12) vµ (9.2.13) t¹i z = b»ng khai triÓn chuçi Taylor t¹i
mÆt níc trung b×nh z = 0, lµ mét vÞ trÝ ®îc biÕt. ¸p dông cho ph¬ng tr×nh Bernoulli
(9.2.13):
2
g 2 2
g g g ... 0
t
z t z t z t
z 0 z 0 z 0
.
(9.2.14)
Trong lý thuyÕt sãng tuyÕn tÝnh chØ xÐt ®Õn sè h¹ng ®Çu tiªn bªn vÕ ph¶i cña
ph¬ng tr×nh (9.2.14).
Còng øng dông quy tr×nh ®ã cho ph¬ng tr×nh (9.2.12) vµ sau ®ã gi¶ thiÕt r»ng
/x = 0 trong ph¬ng tr×nh (9.2.12).
HÖ ph¬ng tr×nh ®Çy ®ñ cho lý thuyÕt sãng tuyÕn tÝnh b©y giê lµ:
2 2
0
+ liªn tôc: (9.2.15)
x 2 z 2
P
gz 0
+ chuyÓn ®éng: (9.2.16)
t
215
-
+ ®iÒu kiÖn biªn ®éng häc z = 0: (9.2.17)
z t
g 0 .
+ ®iÒu kiÖn biªn ®éng lùc z = 0: (9.2.18)
t
Nh÷ng ph¬ng tr×nh (9.2.17) vµ (9.2.18) cã thÓ s¾p xÕp l¹i thµnh:
2
g 0. (9.2.19)
2
z
t
Lêi gi¶i hÖ ph¬ng tr×nh tuyÕn tÝnh (9.2.15) vµ (9.2.19), kÕt hîp víi ph¬ng tr×nh
(9.2.11) lµ:
cosh k (h z )
ˆ
c sin(t kx) (9.2.20)
sinh kz
trong ®ã:
ˆ
= biªn ®é mÆt níc (= H / 2)
z = täa ®é th¼ng ®øng (chiÒu d¬ng híng lªn tõ mÆt níc trung b×nh, xem h×nh
(9.1)
= tÇn sè gãc (= 2 /T)
k = sè sãng (= 2 /L)
H = ®é cao sãng
L = bíc sãng
T = chu kú sãng
c = /k =(gtanh(kh)/k)0,5 = vËn tèc lan truyÒn sãng.
VËn tèc lan truyÒn sãng c còng ®îc gäi vËn tèc pha bëi v× tÊt c¶ ®iÓm cña pr«fil
sãng (cã cïng pha) lan truyÒn víi cïng vËn tèc c ®ã. ¸p dông c = L/T = /k, cã thÓ nhËn
®îc biÓu thøc sau:
2 = gk tanh(kh) (9.2.21)
vµ gäi lµ quan hÖ ph©n t¸n, biÓu thÞ quan hÖ gi÷a chu kú sãng T vµ bíc sãng L. Sãng
®îc gäi ph©n t¸n khi sãng cã tÇn sè (chu kú) kh¸c nhau lan truyÒn víi vËn tèc pha
kh¸c nhau.
Biªn ®é mÆt níc ®îc m« t¶ b»ng (xem h×nh 9.2):
ˆ
= cos(t - kx). (9.2.22)
H×nh 9.2. Lan truyÒn sãng
216
- Nh÷ng vËn tèc U vµ W cã thÓ nhËn ®îc tõ nh÷ng ®¹o hµm cña hµm thÕ (môc
9.3.3). VËn tèc U vµ W lÖch pha 90o ®èi víi chuyÓn ®éng quü ®¹o cña vect¬ vËn tèc. Mçi
h¹t chÊt láng m« t¶ mét chuyÓn ®éng quü ®¹o h×nh ªlÝp víi trôc dµi song song víi ®¸y.
Nh÷ng quan tr¾c chØ ra r»ng quü ®¹o h¹t chÊt láng trong sãng tiÕn lµ kh«ng kÝn. Cã sù
dÞch chuyÓn nhá thùc sù theo híng ngang trong thêi gian mçi chu kú sãng (xem môc
9.2.4). §©y lµ hiÖu øng phi tuyÕn, cã nghÜa lµ kh«ng thÓ dù ®o¸n nh÷ng quü ®¹o kh«ng
kÝn chØ b»ng lý thuyÕt sãng tuyÕn tÝnh.
M« t¶ chi tiÕt nh÷ng thuéc tÝnh sãng tuyÕn tÝnh cho trong môc 9.3.
9.2.3. Lý thuyÕt sãng biªn ®é nhá phi tuyÕn
ë p h¹m vi nµo ®ã cã thÓ xÐt nh÷ng sè h¹ng gia tèc ®èi lu phi tuyÕn (/x)2 vµ
(/ z)2 b»ng c¸ch thÓ hiÖn thÕ theo mét chuçi sè mò nh sau:
x , z ,t H x ,1 sin(t kx) H 2 x , 2 sin 2(t kx ) H 3 x ,3 sin 3(t kx) .... (9.2.23)
trong ®ã H = ®é cao sãng vµ z,1, z, 2... lµ nh÷ng hµm cña z gi¶m vÒ bËc ®é lín.
Sè h¹ng ®Çu tiªn bªn vÕ ph¶i ph¬ng tr×nh (9.2.23) ®îc thÓ hiÖn trong lý thuyÕt
sãng tuyÕn tÝnh. Nh÷ng sè h¹ng kh¸c lµ sè h¹ng hiÖu chØnh, thÓ hiÖn c¸c hiÖu øng phi
tuyÕn. Lý thuyÕt sãng bËc hai thÓ hiÖn hai sè h¹ng ®Çu tiªn, nh Stokes (1819 -1903)
®a ra:
3 H 2 cosh 2k (h z )
H cosh k (h z )
sin(t kx) sin 2(t kx) . (9.2.24)
sinh 4 kz
k2 sinh kz 84
Tû sè biªn ®é sè h¹ng bËc hai vµ sè h¹ng bËc nhÊt lµ:
3 1 H L3 HL
( ) 0,005 ( )3 .
R (9.2.25)
2L h Lh
16 4
Tû sè nµy biÓu thÞ r»ng tÝnh phi tuyÕn cña chuyÓn ®éng sãng nhá, nÕu tham sè UR
= (h/L)(L/h)3 nhá (< 1). Sè h¹ng nµy ®îc gäi lµ sè Ursell. Trong trêng hîp UR < 1, lý
thuyÕt sãng tuyÕn tÝnh cã thÓ øng dông an toµn trong níc s©u. Lý thuyÕt Stokes chØ cã
thÓ ¸p dông trong níc kh«ng s©u l¾m nÕu ®é dèc sãng H/L nhá.
Biªn ®é mÆt níc theo lý thuyÕt sãng bËc hai lµ:
k H 2 (cosh 2kh)(2 cosh 2 kh)
H
cos(t kx) cos 2(t kx) . (9.2.26)
sinh 3 kz
2 44
Ph¬ng tr×nh (9.2.26) cho trong h×nh 9.3. Víi viÖc tÝnh ®Õn nh÷ng sè h¹ng bËc cao
h¬n, mÆt c¾t sãng trë nªn biÕn d¹ng h¬n. Nh÷ng ®Ønh sãng trë nªn hÑp vµ cao, nh÷ng
ch©n sãng trë nªn réng vµ thÊp. HiÖu øng nµy t¨ng lªn khi ®é s©u gi¶m (níc n«ng).
Trong níc s©u ®é biÕn d¹ng rÊt nhá. MÆt c¾t sãng lu«n ®èi xøng qua mét mÆt ph¼ng
®i qua ®Ønh sãng hoÆc ch©n sãng.
Nh÷ng lý thuyÕt sãng tuyÕn tÝnh vµ phi tuyÕn kh«ng chÝnh x¸c trong níc n«ng,
trõ khi H/h vµ H/L nhá. §Ó vît qua ®iÒu nµy, nh÷ng lý thuyÕt sãng ®Æc biÖt cho níc
217
- n«ng ®· ®îc ph¸t triÓn. Mét vÝ dô lµ lý thuyÕt sãng Cnoidal. VÒ c¬ b¶n, nh÷ng lý
thuyÕt nµy lµ nh÷ng lý thuyÕt sãng dµi cã sù hiÖu chØnh nh÷ng hiÖu øng ®èi lu ®éng
lîng th¼ng ®øng. §iÒu nµy ®Æc biÖt quan träng díi ®Ønh sãng.
9.2.4. C¸c hiÖu øng phi tuyÕn: vËn chuyÓn khèi lîng trong sãng
kh«ng ®æ
Nãi mét c¸ch chÆt chÏ, vËn chuyÓn khèi lîng lµ mét hiÖu øng phi tuyÕn bëi v×
nh÷ng ph¬ng tr×nh chøa sè h¹ng H2. Tuy nhiªn cã thÓ nhËn ®îc nh÷ng ph¬ng tr×nh
nµy b»ng c¸ch ¸p dông nh÷ng ®Æc ®iÓm cña lý thuyÕt sãng tuyÕn tÝnh.
Dßng dao ®éng kh«ng nhít
Stokes lµ ngêi ®Çu tiªn chØ ra r»ng nh÷ng h¹t chÊt láng kh«ng m« t¶ chÝnh x¸c
nh÷ng quü ®¹o kÝn trong trêng hîp sãng mÆt biªn ®é nhá (sinusoidal) lan truyÒn trong
mét dßng dao ®éng kh«ng nhít (kh«ng quay) hoµn chØnh, xem h×nh 9.4. Nh÷ng h¹t cã
vËn tèc Lagrange trung b×nh bËc hai (gäi lµ dßng tr«i Stokes) theo híng lan truyÒn
sãng. §iÒu nµy lµ do vËn tèc quü ®¹o ngang t¨ng theo ®é cao (z) ë trªn ®¸y. VËy, mét
h¹t t¹i ®Ønh quü ®¹o ë ®Ønh sãng chuyÓn ®éng nhanh h¬n vÒ phÝa tríc so víi khi t¹i
®¸y quü ®¹o ë ch©n sãng theo híng ngîc l¹i. Theo ®Þnh nghÜa, kh«ng thÓ ph¸t hiÖn
dßng tr«i Stokes theo ph¬ng ph¸p Lagrange b»ng viÖc ®o ®¹c t¹i mét ®iÓm cè ®Þnh.
Dßng tr«i Stokes tøc thêi híng ngang (Us) cña mét h¹t níc so víi vÞ trÝ trung
b×nh x1 vµ z1 lµ Us (x1 + z1 + ), trong ®ã vµ lµ nh÷ng täa ®é cña vÞ trÝ h¹t trªn quü
®¹o. Mét xÊp xØ cña Us lµ:
U U
U s ( x1 z1 ) U ( x1 , z1 ) (9.2.27)
x z
¸p dông lý thuyÕt sãng bËc nhÊt (tuyÕn tÝnh) vµ lÊy trung b×nh chu kú sãng, ta cã:
cosh 2k ( z h)
1
U s ( z ) kH 2 (9.2.28)
sinh 2 kh
8
trong ®ã:
U s = vËn tèc tr«i Stokes (tû sè cña ®é dÞch chuyÓn híng ngang thùc tÕ víi chu kú
sãng)
= 2 /T = tÇn sè sãng
k = 2 /L = sè sãng
z = täa ®é th¼ng ®øng (chiÒu d¬ng híng lªn trªn tõ mùc níc trung b×nh)
1 1
kH 2
T¹i ®¸y (z = - h): U s . (9.2.29)
sinh 2 kh
8
2 cosh 2 kh
1
T¹i mÆt (z = 0): U s kH . (9.2.30)
sinh 2 kh
8
218
- H×nh 9.3. MÆt c¾t sãng bËc hai
§èi víi sãng lan truyÒn trong mét miÒn kh«ng cã biªn ngang, dßng khèi lîng tÝch
ph©n theo ®é s©u (m2/s) lµ:
0
sinh 2kh H 2 gH 2
1
kH 2
M s U s ( z ) dz coth kh
(9.2.31)
sinh 2 kh
16 8c
8
h
trong ®ã: c = vËn tèc sãng.
H×nh 9.4. Nh÷ng quü ®¹o h¹t kÝn vµ kh«ng kÝn
P h¬ng tr×nh (9.2.31) ®¬n gi¶n thµnh Ms = H2/8 ®èi víi níc s©u (kh >> 1).
§èi víi sãng lan truyÒn trong miÒn cã biªn n»m ngang, thÝch hîp nhÊt lµ g¸n ®iÒu
kiÖn dßng khèi lîng b»ng kh«ng (M = 0) cho mçi vÞ trÝ (x), cho ta (h×nh 9.5A):
sinh 2kh
cosh 2k ( z h )
1 2 kh .
U s ( z ) kH 2 (9.2.32)
sinh 2 kh
8
Ph¬ng tr×nh (9.2.32) cã thÓ xem nh tæng cña dßng tr«i Stokes vÒ phÝa tríc vµ
mét dßng ®Òu quay ngîc l¹i. ViÖc ph¸t sinh mét dßng khèi lîng d¬ng gÇn mÆt theo
híng sãng vµ mét dßng ©m gÇn ®¸y ngîc víi híng sãng ®ßi hái sù cã mÆt mét
gradient ¸p suÊt ngang (øng suÊt trît v¾ng mÆt trong dßng kh«ng nhít), gradient nµy
®îc t¹o ra bëi "sù d©ng" mÆt tù do vÒ phÝa bê (t¬ng tù níc d©ng do giã).
Dßng khèi lîng (m2/s) t¹i mét vÞ trÝ cè ®Þnh (x) trong mét miÒn kh«ng cã biªn còng
cã thÓ x¸c ®Þnh theo ph¬ng ph¸p Euler nh sau:
T (t )
1
Me U (t , z)dz . (9.2.33)
T 0 h
trong ®ã:
219
- U = vËn tèc ngang tøc thêi t¹i ®é cao z
= ®é dÞch chuyÓn mÆt níc so víi mÆt trung b×nh.
Trong vïng gi÷a ®Ønh vµ ch©n cña sãng h×nh sin, sù bÊt ®èi xøng cña vËn tèc
ngang chØ ra r»ng chÊt láng truyÒn theo híng sãng díi ®Ønh lín h¬n trong vïng ch©n
sãng. Díi ch©n cña sãng h×nh sin, gi¸ trÞ trung b×nh thêi gian cña vËn tèc ngang t¹i
mét ®iÓm cè ®Þnh b»ng kh«ng.
B»ng viÖc ¸p dông lý thuyÕt sãng bËc nhÊt (tuyÕn tÝnh) cho sãng h×nh sin biªn ®é
nhá, ph¬ng tr×nh (9.2.33) cho ta:
gH 2
Me . (9.2.34)
8c
Ph¬ng ph¸p Euler vµ ph¬ng ph¸p Lagrange cho ta cïng khèi lîng vËn chuyÓn
tÝch ph©n theo ®é s©u. Tuy nhiªn, ph©n bè th¼ng ®øng cña vËn tèc vËn chuyÓn khèi
lîng l¹i kh¸c nhau ®èi víi c¶ hai ph¬ng ph¸p.
Dßng dao ®éng rèi vµ nhít
L onguet - Higgins (1953) ®· chØ ra r»ng ®èi víi nh÷ng chÊt láng thùc víi ®é nhít ,
cã sù truyÒn ®éng lîng thùc tÕ xuèng díi trung b×nh theo thêi gian vµo trong líp biªn
do khuyÕch t¸n nhít ( U / z ), t¹o ra dßng Euler trung b×nh ( U s ) bæ sung cho dßng
tr«i Stokes kiÓu Lagrange ( U e ). Dßng Euler trung b×nh cã thÓ xem nh vËn tèc trung
b×nh cña c¸c t©m quü ®¹o. Gi¶ thiÕt dßng kh«ng nhít, vËn tèc Euler trung b×nh b»ng
kh«ng (lý thuyÕt Stokes).
VËn tèc vËn chuyÓn khèi lîng tæng céng ( U m ) x¸c ®Þnh nh sau:
U U
U m U e U s U e Udt z Udt . (9.2.35)
x
Víi dßng ch¶y ph©n tÇng trong líp biªn, Longuet - Higgins dÉn ra:
z 2z
kH 2 z
(5 8e cos 3e )
U m (z) (9.2.36)
16 sinh 2 kh
trong ®ã:
2 / = ®é dµy líp biªn ph©n tÇng. (9.2.37)
Ph¬ng tr×nh (9.2.37) cã gi¸ trÞ lín nhÊt gÇn ®¸y:
ˆ2
kH 2 U
U m,max 1,376 1,376 . (9.2.38)
4 sinh 2 kh c
Khi z/ -, ph¬ng tr×nh (9.2.37) cho ta vËn tèc t¹i mÐp líp biªn:
ˆ
5 U 2
5 kH 2
Um (9.2.39)
16 sinh 2 kh 4 c
trong ®ã:
220
- H×nh 9.5. Nh÷ng vËn tèc vËn chuyÓn khèi lîng trong sãng kh«ng ®æ
221
- ˆ
U b = gi¸ trÞ vËn tèc quü ®¹o lín nhÊt ngay ngoµi líp biªn theo lý thuyÕt sãng tuyÕn
tÝnh, ph¬ng tr×nh (9.3.25)
c = vËn tèc sãng (/k).
B»ng viÖc gi¶ thiÕt dßng khèi lîng b»ng kh«ng trªn toµn bé ®é s©u níc (M = 0),
Longuet - Higgins (1953) dÉn xuÊt:
kH 2
F ( z / h)
U m ( z ) U s ( z ) U e ( z) (9.2.40)
8 sinh 2 kh
z2 3 sinh 2kh 3 z 2
3 kh z
F ( z / h) cosh 2k ( z h) sinh( 2kh)(3 2 4 1) ( )( 2 1) .
h 2kh
22 2 2h
h
(9.2.41)
Ph¬ng tr×nh (9.2.40) cã thÓ xem nh tæng cña dßng tr«i Stokes vÒ phÝa tríc
(ph¬ng tr×nh (9.2.28)) vµ ph©n bè vËn tèc parab«n Euler, cho ta mét dßng ch¶y vÒ phÝa
tríc t¹i ®¸y vµ mét dßng ch¶y ngîc l¹i t¹i gi÷a ®é s©u (h×nh 9.5 C). Gi¶i thÝch nµy
kh«ng ch¾c ch¾n l¾m bëi v× nã liªn quan ®Õn mét thµnh phÇn dùa vµo dßng kh«ng nhít
vµ mét thµnh phÇn kh¸c dùa vµo dßng nhít.
Nh÷ng vËn tèc t¹i mÐp líp biªn (z = - h):
ˆ
1 U 2
1 kH 2
Us (9.2.42)
2
8 sinh kh 2 c
ˆ
3 U 2
3 kH 2
Ue (9.2.43)
16 sinh 2 kh 4 c
ˆ
5 U 2
5 kH 2
Um . (9.2.44)
16 sinh 2 kh 4 c
Ph¬ng tr×nh (9.2.40) hîp lÖ ®èi víi H < 2, cho ta mét cÊp ®é cao sãng Ýt quan
träng ®èi víi thùc hµnh. Dùa trªn so s¸nh víi kÕt qu¶ thÝ nghiÖm, ®· nhËn ®îc nh÷ng
dù ®o¸n kh¸ tèt ®èi víi 0,7 < kh < 1,5.
Longuet - Higgins còng cho thÊy cã thÓ sö dông ph¬ng tr×nh (9.2.44) ®Ó m« t¶ vËn
tèc vËn chuyÓn khèi lîng ngay bªn ngoµi líp biªn trong trêng hîp dßng dao ®éng rèi
tr¬n.
9.2.5. C¸c hiÖu øng phi tuyÕn: vËn chuyÓn khèi lîng trong sãng ®æ
VËn chuyÓn khèi lîng còng ph¸t sinh do sãng ®æ. Trªn mùc ch©n sãng cã vËn
chuyÓn khèi lîng thùc tÕ híng vµo bê. Theo xÊp xØ bËc nhÊt, khèi lîng vËn chuyÓn
trªn mùc ch©n sãng cã thÓ ®¸nh gi¸ nh sau (xem ph¬ng tr×nh 9.2.34):
gH 2
Me . (9.2.45)
8c
¸p dông c = (gh)0,5 trong níc n«ng, ta cã:
222
- H2 g
M . (9.2.46)
h
8
Gi¶ thiÕt kh«ng cã dßng thùc tÕ trong toµn bé ®é s©u, dßng trë l¹i, cßn gäi lµ dßng
sãng déi, díi mùc ch©n sãng cã thÓ ®¸nh gi¸ b»ng (xem h×nh 9.6):
g H2
1
U m, off . (9.2.47)
h ht
8
LÊy ht = 0,8 h, ta cã:
g H2
U m, off 0,15 . (9.2.48)
hh
VÝ dô
Gi¶ thiÕt h = 2 m vµ H = 1,2 m, dßng ch¶y trë l¹i lµ U m, off = 0,25 m/s.
H×nh 9.6. VËn chuyÓn khèi lîng trong sãng ®æ
9.3. C¸c thuéc tÝnh sãng tuyÕn tÝnh
9.3.1. Më ®Çu
Nh÷ng thuéc tÝnh sau ®©y cña sãng tuyÕn tÝnh biªn ®é nhá ®îc xem xÐt:
• bíc sãng
• vËn tèc lan truyÒn sãng
• vËn tèc h¹t chÊt láng
• ®é dÞch chuyÓn h¹t chÊt láng
• ¸p suÊt chÊt láng
• n¨ng lîng sãng vµ vËn chuyÓn
• vËn tèc nhãm sãng vµ vËn tèc front sãng.
223
- T h«ng thêng c¸c ph¬ng tr×nh m« t¶ nh÷ng thuéc tÝnh sãng cã thÓ ®¬n gi¶n hãa
cho níc s©u vµ níc n«ng b»ng viÖc ¸p dông nh÷ng gi¸ trÞ tiÖm cËn cho nh÷ng hµm
hyperbolic.
Nh÷ng hµm hyperbolic cã thÓ biÓu thÞ nh sau:
e kh e kh
sinh kh
2
e kh e kh
cosh kh
2
e kh e kh
tanh kh kh .
e e kh
Bá qua nh÷ng sai sè nhá h¬n 5 %, nãi chung cã thÓ ¸p dông c¸c xÊp xØ níc s©u vµ
níc n«ng (c¸c h×nh 9.7 vµ 9.8):
Nh÷ng xÊp xØ Níc s©u kh < 0,1 Níc n«ng kh >
(h < 0,05 L) (h > 0,5 L)
1/2ekh
sinh(kh) kh
1/2ekh
cosh(kh) 1
tanh(kh) kh 1
Nh÷ng tham sè sãng níc s©u nãi chung ®îc g¸n chØ sè díi 0, lµ H0, L 0, c0 v©n
v©n.
H×nh 9.7. ChuyÓn ®éng quü ®¹o trong níc s©u vµ níc n«ng
224
- H×nh 9.8. C¸c hµm hyperbolic
9.3.2. Quan hÖ ph©n t¸n
Quan hÖ ph©n t¸n biÓu thÞ mèi t¬ng quan hµm sè gi÷a chu kú sãng, bíc sãng vµ
gia tèc träng trêng nh sau:
2 gk tanh kh (9.3.1)
2h
L gL
( )2 tanh( ).
hoÆc (9.3.2)
2
T L
Ph¬ng tr×nh (9.3.1) còng cã thÓ biÓu thÞ b»ng:
k 0 h gk tanh kh (9.3.3)
2h
L L0 tanh( ) (9.3.4)
L
2h
c c 0 tanh( ) (9.3.5)
L
trong ®ã:
= 2 /T = tÇn sè gãc
225
- k = 2 /L = sè sãng
k 0 = 2/g = 2 /L0 = sè sãng t¹i níc s©u
L = bíc sãng
L 0 = bíc sãng t¹i níc s©u (= 2 g/2)
T = chu kú sãng (h»ng sè)
c = L / T = vËn tèc lan truyÒn sãng
c0 = L 0/T = vËn tèc lan truyÒn sãng t¹i níc s©u
h = ®é s©u níc.
Ph¬ng tr×nh (9.3.1) kh«ng thÓ gi¶i têng minh khi biÕt chu kú sãng T. Nh÷ng
hµm xÊp xØ do Nielsen (1984) ®a ra, chÝnh x¸c ®Õn 1% ®èi víi kh < 3 (ph¬ng tr×nh
9.3.6) vµ bëi Hunt (1979), chÝnh x¸c tíi 0,1% ®èi víi kh < (ph¬ng tr×nh 9.3.7).
y (1 0,166 y 0,031y 2 )
kh (9.3.6)
y
( kh )2 y 2
1 0,666 y 0,355 y 0,161y 0,0632 y 4 0,0218 y5 0,00654 y 6
2 3
(9.3.7)
trong ®ã:
2h 4 2 h
4,02 h / T 2 .
y 2
g gT
Quan hÖ ph©n t¸n, ph¬ng tr×nh (9.3.2) ®îc ®a vµo d¹ng ®å thÞ trong h×nh 9.9
(Groen vµ Dorrestein, 1976).
C¸c gi¸ trÞ ®Æc trng sau ®©y cho níc n«ng vµ s©u:
Níc s©u:
g2
L0 T. (9.3.8)
2
g
c0 T. (9.3.9)
2
Níc n«ng:
L T gh (9.3.10)
c gh . (9.3.11)
§é dµi sãng nhËn ®îc ®èi víi T = 10 s vµ h = 50 m (cho ta y = 2,01) lµ:
kh = 2,068 vµ L = 151,9 m theo víi ph¬ng tr×nh (9.3.6)
kh = 2,078 vµ L = 151,1 m theo víi ph¬ng tr×nh (9.3.7)
L = 150 m theo h×nh 9.9.
Nh÷ng ph¬ng tr×nh (9.3.2) vµ (9.3.5) dù ®o¸n ®é dµi vµ vËn tèc truyÒn sãng sÏ
gi¶m vÒ phÝa bê, gi¶ thiÕt chu kú sãng kh«ng ®æi vµ ®é s©u gi¶m.
226
- H×nh 9.9. Quan hÖ ph©n t¸n ë d¹ng ®å thÞ (Groen vµ Dorrestein, 1976)
VÝ dô,
T = 10 s: L0 = 156 m c0 = 15,6 m/s t¹i h = 500 m
L = 152 m c = 15,2 m/s t¹i h = 50 m
L = 131 m c = 13,1 m/s t¹i h = 25 m
L = 92 m c = 9,2 m/s t¹i h = 10 m
¶nh hëng cña dßng ch¶y
Khi sãng lan truyÒn vµo trong níc n«ng h¬n gÇn bê, chóng cã thÓ gÆp dßng ch¶y
t¬ng ®èi m¹nh ¶nh hëng tíi nh÷ng ®Æc trng sãng. Mét dßng ch¶y ngîc víi sãng
lµm cho ®é cao sãng t¨ng vµ bíc sãng gi¶m, nh vËy sãng trë nªn dèc, thËm chÝ ®¹t
227
- ®iÓm sãng ®æ. Mét dßng ch¶y theo híng sãng lµm t¨ng bíc sãng vµ gi¶m ®é cao sãng.
MÆc dÇu ®é cao vµ bíc sãng cã thÓ thay ®æi, chu kú sãng vÉn hÇu nh kh«ng ®æi
so víi mét hÖ thèng täa ®é cè ®Þnh. Lý thuyÕt tuyÕn tÝnh cã thÓ vÉn øng dông cho hÖ
thèng täa ®é chuyÓn ®éng víi vËn tèc dßng ch¶y (v).
Tríc hÕt, xem xÐt mét dßng ch¶y ®ång nhÊt theo kh«ng gian (v) ®i theo sãng. Mét
hÖ täa ®é chuyÓn ®éng víi vËn tèc v ®îc ®a ra. §é dµi sãng L' khi cã mÆt dßng ch¶y sÏ
kh«ng ®æi ®èi víi mét hÖ täa ®é chuyÓn ®éng vµ cè ®Þnh, nhng chu kú sãng vµ vËn tèc
pha thay ®æi phï hîp víi hÖ chuyÓn ®éng. Chu kú sãng vµ vËn tèc pha ®èi víi hÖ chuyÓn
®éng lµ cr vµ T r, cho ta:
L’ = c’T = crTr = (c’=v)Tr . (9.3.12)
Nh vËy,
c' T T T
Tr . (9.3.13)
c'v 1 v / c' 1 (v / L ' )T
Mét ngêi quan s¸t chuyÓn ®éng víi vËn tèc b»ng vËn tèc pha sÏ chÞu mét t×nh
huèng æn ®Þnh víi sãng "®ãng b¨ng" vµ Tr = .
Trong trêng hîp dßng ch¶y ( v ) lµm mét gãc víi híng sãng, cÇn ph¶i lÊy thµnh
phÇn vËn tèc ( v cos ) theo híng sãng, cho ta:
c' T T T
Tr . (9.3.14)
c'v 1 v / c' 1 ( v cos / L' )T
Chu kú sãng t¬ng ®èi còng cã thÓ biÓu thÞ nh sau:
r k ' v cos . (9.3.15)
Ph¬ng tr×nh (9.3.15) vµ ph¬ng tr×nh (9.3.11) lµ ®ång nhÊt. §é dµi sãng L' cã thÓ
x¸c ®Þnh tõ ph¬ng tr×nh ph©n t¸n mµ giê ®©y hîp lÖ víi hÖ chuyÓn ®éng, cho ta:
2 r gk ' tanh( k ' h) . (9.3.16)
¸p dông L ' = crT r = (r/k')Tr ta cã:
2h
L' 2 gL'
)
( tanh (9.3.17)
2
Tr L'
2h
L' gL'
v cos ) 2
( tanh
hoÆc (9.3.18)
2
T L'
trong ®ã:
v = ®é lín vect¬ vËn tèc trung b×nh ®é s©u
= gãc gi÷a híng dßng ch¶y vµ híng lan truyÒn sãng ( = 0o ®èi víi dßng ch¶y
theo, = 180o ®èi víi dßng ch¶y ngîc, = 90o ®èi víi dßng ch¶y vu«ng gãc víi sãng)
c' = vËn tèc lan truyÒn sãng (tuyÖt ®èi) khi cã mÆt dßng ch¶y
228
- T = chu kú sãng tuyÖt ®èi ( = 2 /T)
cr = vËn tèc lan truyÒn sãng t¬ng ®èi so víi dßng ch¶y (= c0 - v cos ).
Tr = chu kú sãng t¬ng ®èi so víi dßng ch¶y ( = 2 /Tr)
L ' = bíc sãng khi cã mÆt dßng ch¶y
k' = sè sãng khi cã mÆt dßng ch¶y (= 2 /L ').
Cã thÓ x¸c ®Þnh ¶nh hëng cña dßng ch¶y lªn vËn tèc pha vµ bíc sãng trong níc
s©u b»ng viÖc gi¶ thiÕt r»ng chu kú sãng vÉn kh«ng ®æi ®èi víi hÖ täa ®é cè ®Þnh, cho ta:
L0 L ' 0 L' 0
T . (9.3.19)
c0 c' 0 c v cos
0,r
L’0 vµ c’0 lµ bíc sãng vµ vËn tèc pha thay ®æi do hiÖu øng dßng ch¶y ®em l¹i.
H×nh 9.10. ¶nh hëng cña dßng ch¶y lªn bíc sãng vµ vËn tèc pha trong níc s©u
T rong níc s©u: L0 = 2c02/g, vµ L0' = 2c20,r/g (lý thuyÕt sãng tuyÕn tÝnh t¬ng ®èi
hîp lÖ víi dßng ch¶y) sau khi thay vµo ph¬ng tr×nh (9.3.19) cho ta:
c 20 c 2 0, r
(c0,r v cos )c0 c 2 0,r .
hoÆc (9.3.20)
c0 c0,r v cos
Lêi gi¶i ph¬ng tr×nh (9.3.20):
4 v cos )
1
c 0, r c0 (1 1 ). (9.3.21)
c0
2
¸p dông L'0/ L0 = (c0,r/c)2 ta cã:
229
- 4 v cos )
1
)2 .
L' 0 L0 (1 1 (9.3.22)
c0
4
Nh÷ng ph¬ng tr×nh (9.3.21) vµ (9.3.22) ®îc giíi thiÖu trong h×nh 9.10, cho thÊy
bíc sãng gi¶m vµ vËn tèc pha gi¶m trong trêng hîp cã dßng ch¶y ngîc. Víi v cos =
- 0,25 c0, cho ta L'/L0 = 0,25, c0,r /c0 = 0,25 vµ c’0 = c0,r + v cos = 0,5c0 - 0,25c0 = 0,25c0
cã nghÜa lµ n¨ng lîng sãng kh«ng thÓ lan truyÒn ngîc l¹i dßng ch¶y.
Nh÷ng ph¬ng tr×nh (9.3.22) vµ (9.3.18) cho ta nh÷ng kÕt qu¶ ®ång nhÊt ®èi víi
níc s©u.
VÝ dô
T Ýnh to¸n bíc sãng trong trêng hîp h = 10 m, v = 1 m/s, = 60 ° vµ T = 10 s.
H×nh 9.9 ®èi víi bíc sãng 92 m cho v = 0 m/s. Ph¬ng tr×nh (9.3.18) cho ta gi¸ trÞ
chÝnh x¸c b»ng c¸ch ¸p dông ph¬ng ph¸p lÆp vµ b¾t ®Çu víi L = 92 m. Nh vËy:
9,81x92 62,8
92
0,5)2
( tanh 75,7 85,3
L = 92 m
6,28 92
10
9,81x97 62,8
97
0,5)2
L = 97 m ( tanh 84,6 86,4
6,28 97
10
9,81x98 62,8
98
0,5)2
( tanh 86,5 86,6
L =98 m
6,28 98
10
Nh vËy, bíc sãng lµ 98 m vµ chu kú sãng t¬ng ®èi lµ T = 10,5 s. Khi bá qua ¶nh
hëng dßng ch¶y, bíc sãng lµ L = 92 m. V× < 90 ° (theo dßng ch¶y), ta cã v cos /c >
0 vµ nh vËy bíc sãng sÏ lu«n lu«n lín h¬n 92 m (xem h×nh 9.10).
9.3.3. VËn tèc h¹t chÊt láng
Nh÷ng vËn tèc chÊt láng th¼ng ®øng vµ ngang cã thÓ nhËn ®îc b»ng viÖc lÊy ®¹o
hµm cña hµm thÕ , ph¬ng tr×nh (9.2.20), cho ta:
H cosh k (h z )
cos(t kx )
U (9.3.23)
sinh kh
2
H sinh k (h z )
sin(t kx)
V (9.3.24)
sinh kh
2
230
- trong ®ã:
U = vËn tèc chÊt láng ngang t¹i ®é s©u z díi bÒ mÆt, t¹i kho¶ng c¸ch x vµ vµo thêi
gian t
W = vËn tèc chÊt láng th¼ng ®øng t¹i ®é s©u z díi bÒ mÆt, t¹i kho¶ng c¸ch x vµ
vµo thêi gian t
H = ®é cao sãng
= 2 / T = tÇn sè gãc
k = 2 / L = sè sãng
L = bíc sãng
h = ®é s©u níc tõ mÆt níc tÜnh
x = to¹ ®é n»m ngang
z = to¹ ®é th¼ng ®øng, chiÒu d¬ng híng lªn trªn tõ mÆt níc = 0
t = thêi gian.
Nh÷ng biÓu thøc vËn tèc chÊt láng cho thÊy nh÷ng ®Æc tÝnh sau:
• vect¬ vËn tèc ( v ) t¹i mçi ®iÓm m« t¶ mét quü ®¹o h×nh ªlip
• vËn tèc th¼ng ®øng vµ n»m ngang lÖch pha 90o°
• vËn tèc ngang (U) lín nhÊt phÝa tríc díi ®Ønh sãng (xem h×nh 9.11).
• vËn tèc ngang (U) b»ng kh«ng t¹i ®iÓm cã dao ®éng mùc níc b»ng kh«ng (h×nh
9.11)
• vËn tèc ngang cã híng theo híng lan truyÒn sãng ë díi ®Ønh sãng vµ ngîc
híng lan truyÒn sãng ë díi ch©n sãng
• vËn tèc th¼ng ®øng (W) b»ng kh«ng díi ®Ønh sãng vµ ch©n sãng; nh vËy vect¬
vËn tèc lµ n»m ngang díi ®Ønh vµ ch©n sãng (h×nh 9.11)
• vËn tèc th¼ng ®øng (W) t¨ng theo híng ®i lªn vµ lín nhÊt t¹i giao ®iÓm kh«ng
cña profil sãng ®i xuèng, vµ gi¶m theo híng ®i xuèng vµ nhá nhÊt t¹i giao ®iÓm kh«ng
cña profil sãng ®i lªn (h×nh 9.11)
• vËn tèc chÊt láng gÇn ®¸y vÒ c¬ b¶n lµ n»m ngang (W = 0).
H×nh 9.11. VËn tèc chÊt láng trong mét sãng ng¾n tiÕn
231
nguon tai.lieu . vn