Определение волн на акваториях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Дальневосточный федеральный университет»

(ДВФУ)

Инженерная школа

Кафедра гидротехники, теории зданий и сооружений

Курсовая работа

по дисциплине «Океанология»

Определение волн на акваториях

Студент В3331 группы

А.А. Елфутин

Руководитель курсовой работы

В.И. Силевёрстов

Владивосток 2013

Оглавление

Введение

1. Общая часть (описание района строительства, выбор волноопасного направления)

2. Определение скорости ветра расчетного шторма

3. Определение элементов волн в глубоководной зоне

4. Определение элементов волн в мелководной зоне

5. Определение элементов волн в трех заданных сечениях

Заключение

Список литературы

Введение

Ветровые волны на морях и водохранилищах образуются в следствие наличия сил трения и сложного взаимодействия на границе между воздушным потоком (ветром) и водой. Высоты и длины волн могут быть значительными, а силовое воздействие волн для некоторых типов гидротехнических сооружений (оградительных, берегоукрепительных) - преобладающим над другими видами нагрузок. Поэтому знания о ветровых волнах и их воздействиях необходимы при проектировании гидротехнических сооружений.

Для определения волновых воздействий на сооружения, а также оценки защищенности акваторий портов необходимо знать расчетные значения основных элементов волн - высот, длин, периодов.

Процесс образования и развития ветровых волн является достаточно сложным. На параметры и вид волн влияют многочисленные факторы, в том числе скорость, направление и размерность ветра, размеры и конфигурация водной поверхности в плане, глубина воды, рельеф дна и так далее.

1. Общая часть (описание района строительства, выбор волноопасного направления)

Производим выбор волноопасных направлений по розе ветров с градацией, по румбам и скоростям. Для этого совмещаем направление С-Ю на плане акватории с розой ветров и выбираем наиболее неблагоприятные направления ветра по частоте направления и по скорости. Таким образом, волноопасными направлениями являются: З, СЗ, С.

Характеристики ветра в графической форме представляются в виде розы ветров - полярной диаграммы повторяемости и скорости ветров различных направлений для данного места за определенный промежуток времени. Наиболее общей и полной является роза повторяемости ветров с градацией по скоростям.

Предварительно все ветры разделяются на группы по скоростям

- 1ая группа - штиль

- 2ая группа

- 3яя группа

- 4ая группа

- 5ая группа

- 6ая группа

Повторяемость ветра - отношение числа случаев к общему числу случаев.

Повторяемость ветра рассчитывается по формуле:

(1)

где N= 365 дн. Определение масштаба розы ветров.

Штиль - это ветер с нулевой скоростью, дующий со всех направлений с одинаковой вероятностью.

Определение масштаба розы ветров

	СЗ	С	СВ	В	ЮВ	Ю	ЮЗ	З
0-7 м/с	2,2	9	0,6	0,8	10,7	7,5	2	0,9
8-10 м/с	0,6	2,6	0,2	0,3	2,5	1	0,2	0,1
11-15 м/с	0,3	2,7	0,2	0,2	2,2	0,5	0,2	0,2
>15 м/с	0	0	0	0	0,3	0,2	0	0
							У=	48,2

100% весь ветер, из них 6,35% (число в кружочке) это штиль, т.е.:

Распределение повторяемости ветра волноопасного направления.

	С
0-7	17,487
8-10 м/с	5,051
11-15 м/с	5,246
>15 м/с	0
штиль	0,794
	28,578

	С
> 0	27,784
> 7	10,298
> 10	5,25
> 15	0

Интегральная повторяемость скорости ветров по волноопасному направлению.

	С
> 0	97,223
> 7	36,034
> 10	18,357
> 15	0

2. Определение скорости ветра расчетного шторма

Расчетный шторм - шторм, при котором наблюдается интенсивное ветровое волнение один раз в течении заданного числа лет nt. Интенсивность волнения оценивается средней высотой волны . Чем ответственнее сооружение, то есть чем выше его класс капитальности, тем более сильным принимается расчетный шторм ( тем реже он повторяется).

Повторяемость расчетного шторма - величина, обратная заданному числу лет nt , в течении которых происходит один расчетный шторм. Чем выше класс капитальности сооружения, тем меньше повторяемость расчетного шторма.

Обеспеченность расчетного шторма означает выраженное в процентах от ста число штормов заданной силы (расчетных штормов), возможных в течении 100 лет.

Скорость W ветра расчетного шторма. Величина W определяется путем статической обработки данных многолетних наблюдений. Сводные данные о ветрах опубликованы в различных справочниках. Если располагают полными данными о ветрах за период времени nt , в течении которого имеет место расчетный шторм, то качестве расчетной скорости ветра принимают максимальную наблюдаемую скорость за этот период по волноопасному направлению.

Если имеются данные многолетних периодических наблюдений за ветром в течении сроков, меньших nt, то расчетную скорость ветра определяют с использованием так называемой “клетчатки вероятностей”.

Под клетчаткой вероятностей понимается графическая зависимость , где F- интегральная повторяемость скорости ветра по данному румбу, %; W- величина скорости ветра, м/с. Интегральная повторяемость F есть отношение числа замеров, при которых наблюдалась скорость, меньшая или равная заданному значению скорости, к общему числу произведенных замеров.

Клетчатка вероятности строится для каждого волноопасного румба. Смысл построений следующий. Так как данных измерений по времени не достаточно, расчетная скорость должна определятся с использованием экстраполяции (экстраполяция - нахождение по некоторым известным значениям функции ее значений за пределами известного интервала). Задача сводится к построению на клетчатке вероятностей прямой, отображающей зависимость интегральной повторяемости F (%) от скоростей ветра расчетного шторма как абсциссы некоторой точки на этой прямой.

Точки, по которым строится прямая на клетчатке вероятностей, находятся следующим образом. На оси абсцисс откладывается ряд определенных значений скоростей ветра в пределах измерений, а по оси ординат - интегральные повторяемости ветра с заданной скоростью. Далее по найденным точкам строится прямая на клетчатке вероятностей, и скорость ветра расчетного шторма W находится как абсцисса точки на прямой со значением интегральной повторяемости ветра, равной:

(%) (2)

где t - время действия расчетного шторма, час.; N - число дней наблюдений в году за безледный период; nt - заданное число лет; p - повторяемость данного волноопасного направления ветра среди других направлений, в долях еденицы.

Для строительства нового порта в акватории принимается: nt=50 лет;

обеспеченность: ; t=12 часов; N=365 дней.

Определение разгона волн для волноопасных направлений.

Разгон D волн. Величина D определяется по карте для каждого из волновых румбов как расстояние до данной точки от противоположного берега, области с ледовым покрытием или от границы штормовой зоны. Разгон измеряется в направлении против ветра. Для каждого из волноопасных направлений принимается свое значение разгона.

При предварительном определении элементов волн среднее значение разгона (м) для заданной расчетной скорости ветра W, м/с допускается по формуле:

(3)

где k - коэффициент, принимаемый равным ; - коэффициент кинематической вязкости воздуха, принимаемый равным .

Значение предельного разгона Dп, м, допускается принимать по таблице 2.2 ( методичка) для заданной расчетной скорости ветра W, м/с.

Из таблицы 2.2 для данной скорости ветра принимаем значение предельного разгона Dп и сравниваем со значение формулы (3).

Вывод:

3. Определение элементов волн в глубоководной зоне

Средняя высота и период волн определяется по графикам рис.2.2 (методичка). Для глубоководной зоны () используется верхняя огибающая кривая, для мелководной зоны - кривые с соответствующими значениями .

Определение величин и при известных t, W, D производится следующим образом ( рис.2.2. методичка). Вычисляются безразмерные отношения gt/W и gD/W2 и откладываются на осях абсцисс. Если найденная точка на оси gt/W расположена левее соответствующей точки на оси gD/W2, то влияние считается развивающимся, в противном случае- установившемся. Для случаев развивающегося волнения используется ось абсцисс gt/W, для установившегося - ось gD/W2.

После установления типа волнения на соответствующей кривой с полученным значением gH/W находится точка со значением абсцисс gt/W или gD/W2. Далее находится ордината этой точки на левых осях. По найденным значениям и определяются величины и .

Элементы волн а глубоководной зоне

№	В.О. напр	W, м/с	D,м	gD/w2	gt/W	h	лг	ki	hi
1	С	65	76,923	178,607	6519,877	9,906	234,403	2,1	1,8	20,803	17,831

Выясняем тип волнения:

- волнение установившееся

4. Определение элементов волн в мелководной зоне

Определение элементов трансформированных волн.

При распространении ветровых волн из глубоководной зоны в мелководную, то есть к берегу, в условиях уменьшающихся глубин происходят явления трансформации и рефракции, сопровождающиеся потерями энергии. Высоты и длины волн изменяются, а периоды практически остаются постоянными.

Трансформация волн - это явление переформирования профиля и изменения элементов волн на мелководье вследствие влияния дна.

Рефракция волн - это явление разворота фронта волн параллельного изобатам вследствие зависимости скорости распространения волн от глубины.

Влияние трансформации и рефракции на изменение элементов волн учитывается раздельно введением соответствующих коэффициентов.

Высота трансформируемой волны i-ого процента обеспеченности в мелководной зоне с уклонами дна 0,002 и более определяется по формуле:

(4)

где kг- коэффициент трансформации волн; kр- коэффициент рефракции волны; kп- обобщенный коэффициент потерь; - высота исходной волны i %-ной обеспеченности.

Высота исходной волны i %-ной обеспеченности : для глубоководных бассейнов принимается равной высоте волны на глубоководье (при ), для мелководных - высоте волны в створе, с которого начинается уменьшение глубины.

Средняя глубина на глубокой воде определяется по формуле:

(5)

Коэффициент трансформации kг в формуле (5) определяется по кривой на рис.2.5 (методичка) как ордината (на левой оси) точки этой кривой с абсциссой H/ (здесь H - глубина воды в рассматриваемом створе).

Коэффициент рефракции kр находится с использованием плана рефракции. Под планом рефракции понимается план участка акватории с нанесенными на нем лучами волн. Для построения используются графики рис 2.6 (методичка), там же дан ключ к этим графикам.

Предварительно на план акватории наносятся параллельные друг другу лучи исходных волн (расстояние между лучами принимаются равными 2). Каждый луч плана рефракции строится отдельно. Искривление луча начинается с изобаты

H=0,5.

В зависимости от угла подхода луча к i-той изобате, а также отношение H/ для следующей изобаты i-1 (методичка) находится значение угла отклонение луча от первоначального направления (в сторону меньших глубин). Точка пересечения этого направления луча с последующей изобатой дает точку луча волны с учетом рефракции. Далее, опять в зависимости от угла между новым направлением луча и изобатой i-1и отношение H/, для изобат i-1и i-2 находится новое значение угла отклонения луча волны и так далее.

Построение производится до границ проектируемого сооружения, но не далее границы прибойной зоны.

В случае, если луч волны и изобаты почти параллельны (), то вышеизложенный метод неприемлем, так как резко снижается точность построения. Порядок определения углов поворота луча волны в этом случае следующий. Интервал между изобатами делится поперечными линиями на ряд отсеков рис.2.7. (методичка). Расстояние между границами отсеков R берутся кратными расстоянию между изобатами I в этом отсеке. Далее определяются скорости гребней волны на рассматриваемых изобатах по формуле:

(6)

где H- глубина на изобате, м; k- волновое число.

Для соотношения скоростей на изобатах (с2/с1) и безразмерного соотношения R/I в каждом отсеке по графикам на рис. 2.8 (методичка) определяется угол поворота луча волны. Луч проводят до середины отсека с поворотом на . Построение повторяется до тех пор, пока не станет меньше .

Величина коэффициента рефракции kр в формуле (4) равна:

(7)

где S0- расстояние между двумя смежными, построенными на плане рефракции лучами на глубоководье; S- кратчайшее расстояние между теми же лучами плана рефракции в расчетной точке.

Определение элементов трансформируемых волн.

Нап.	H,м	kт	kр	kп	iдна	ki		hi
С	80	0,96	1	0,95	0,0008	2,22	7,752	17,209	0,341	10,601	0,00173	229,715	10,721
						1,84		14,264

Построение плана рефракции.

Луч 1	Луч 2
h/лг	бi	?б	бi	?б
0,495	0	0	0	0
0,480	0	0	0	0
0,457	0	0	0	0
0,437	0	0	0	0
0,416	0	0	0	0
0,359	0	0	0	0
0,373	0	0	0	0
0,352	0	0	0	0
0,331	0	0	0	0
0,309	6	0	0	0
0,288	5	0	2	0
0,267	7	0	5	0
0,245	6	0	4	0
0,234	6	0	4	0
0,203	7	0,1	4	0
0,181	5	0,15	3	0,1
0,160	6	0,15	1	0
0,139	3	0,1	4	0,1
0,117	7	0,2	5	0,15
0,096	3	0	11	0,5
0,075	7	0,5	12	1
0,053	7	1	15	2,5
0,031	10	2	11	2

5. Определение элементов волн в трех заданных сечениях

акватория шторм волна

Определение критической глубины первого обрушения волн.

Критическая глубина при первом обрушении определяется для заданных уклонов дна по графикам 2,3 и 4 рис. 2.5 (методичка) методом последовательного приближения. Для различных значений глубин H по формуле (4) определяется hi и. Затем по графикам 2,3 и 4 рис. 2.5 (методичка) для каждого значения снимается Hкр/ и определяется Hкр , из которых принимается та Hкр , которая численно совпала с одной из задаваемых глубин H. На критической глубине при первом обрушении заканчивается мелководная зона и начинается прибойная.

№ п.п	Hкрз	hГ	kт	kр	kп	ki	hi			i			Hкр
1	10	9,906	0,98	1,022	0,81	2,25	4,361	4,57	0,0211	0,0077	234	0,25	58,6
2	30	9,906	0,92	1	0,86	2,25	11,628	8,28	0,0207	0,0004	234	0,22	51,568
3	45	9,906	0,92	1	0,86	2,25	13,568	8,94	0,0173	0,008	234	0,048	44,537

Hкр=44,5 м;

Определение элементов волн в прибойной зоне.

Высота волны в прибойной зоне hпр1%, м, определяется для заданных уклонов дна i по графикам 2,3 и 4 рис. 2.5 (методичка). По безразмерной величине H/ с графика снимается значение hпр1%/, с помощью которого определяется hпр1%.

Длина волны в прибойной зоне , м, определяется по графику на рис. 2.9 (методичка). По безразмерной величине H/ с графика по верхней огибающей кривой снимается значение , с помощью которого определяется .

Превышение волны над расчетным уровнем , м, определяется по графику на рис. 2.10 (методичка). По безразмерной величине H/ с графика по верхней огибающей кривой снимается значение , с помощью которого определяется .

Элементы волн в прибойной зоне.

	H	i		hпр1%/		hпр1%
С	44,537	0,008	0,107	0,009	12,258	9,922	234,403	182,834	7,342

Определение критической глубины последнего обрушения волн.

Критическая глубина, на которой произойдет последнее обрушение волн при постоянном уклоне дна, определяется по формуле:

(8)

где kп- коэффициент, принимаемый по таблице 2.4 (методичка); п- число обрушений (включая первое) принимается из ряда п=2,3,4 при выполнении неравенства и .

При определении глубины последнего обрушения коэффициент kп или произведение коэффициентов не должны приниматься менее 0,35. При i>0,05 . На критической глубине последнего обрушения заканчивается прибойная зона.

и

C - i=0,008 kп=0,7

Задаемся количеством обрушений:

при п=4

условие выполняется

Заключение

Глубоководная зона.

	H,м	W,м/с				h1%	h5%
С	117,2	65	9,9	234,4	12,26	20,8	17,83

Мелководная зона.

	H,м	h1%	h5%			Hкр
С	80	17,21	14,26	229,71	10,6	44.54	10,72

Прибойная зона.

	Hкр	hпр1%
С	15,28	9,922	182,83	12,26	7,34

Список литературы

1. Беккер А.Т., Гомольский С.Г.. «Определение элементов волн на акваториях». Методические указания к практическим занятиям, курсовому и дипломному проектированию для специальностей 2904. Редакционно-издательский отдел ДВПИ. Владивосток. 1989.

Размещено на Allbest.ru

...