В.И. Трухин, К.В. Показеев, В.Е. Куницын - Общая и экологическая геофизика (1119248), страница 35
Текст из файла (страница 35)
300 судов в год, стало 150), и появилась недооценка природных сил при определении безопасности мореплавания. Среди судостроителей начала ХХ в. бытовало мнение, что «силы стихии сдаются перед новыми прочными кораблямим Это мнение стоило жизни многим морякам. Морские волны достаточно грозное явление природы, а природа пе терпит пренебрежительного отношения к себе и зачастую мстит людям, инициируя тем самым стремление людей лучше и глубже понять ее законы. В табл.
10.4 приведено количество судов, погибших из-за штормов и других неблагоприятных гидрометеорологических условий, главным образом, связанных с сильным волнением„за период с 1975 по 1979 г. Эта выборка относится только к торговым судам относительно большого размера (более 500 регистровых тонн). Количество аварий на более мелких судах за этот же период определяется четырехзначным числом.
Стало ясно, что ! л. 10. Волньг в онвинв 198 Табл ица 10.3 Высота волн, м Ветер, м,ге Баллы Характеристика 0 штиль слабое волнение 0- 0,25 0,25-0,75 умеренное волнение 0,75 — 1,25 умеренное волнение 1,25 — 2.00 2,00 — 3,50 умеренное волнение сильное волнение 3.50-6,00 сильное волнение 6,00 8,50 очень сильное волнение 17 8,50 11,00 очень сильное волнение исключительно сильное волнение ) 11 20 Таблица 104 Год 1975 1976 1977 1978 1979 Число погибших кораблей 31 36 37 42 53 В 40 — 50-е гг. ХХ столетия бурное развитие получили методы теории случайных функций и математической статистики. Волнение, основной закон которого по лорду Томсону — кажущееся отсутствие какого-либо закона, стали изучать как случайное явление, подчиняющееся определенным законам гидромехаиики.
На этом пути достигнуты значительные результаты, имеющие и чисто фундаментальное, и прикладное значепие. Помимо статистического подхода к изучению морского волнения продолжали развиваться и теоретические методы описания волновых движеиий в Мировом океане. нужны более точные методы расчета прочности, остойчивости и других мореходных качеств судов. И здесь при конструировании судов инженеры столкнулись с несовершенством наших знаний о волнении. Таким образом, запросы практики совпали с пеобходимостью дальнейшего развития теории морских волн.
1л. 10. Волны в охеаяе 199 Для измерения волн обычно используются акселерометрические буйковые волнографы, основанные на принципе акустического эхолота, и волнографы гидростатического типа. Волнографы обычно измеряют среднюю и максимальную высоту волн, средний период и длину волны, частотный спектр волнения. В акселерометрическом волнографе элементы волнения определяются путем двойного интегрирования сигнала, получаемого от акселерометрического датчика.
Наиболее распространенные зарубежные волнографы устроены именно по такому принципу. Принцип действия гидростатических волнографов основан на связи гидростатических колебаний на некоторой глубине с характеристиками колебаний волновой поверхности. Эхолокация используется при зондировании мгновенных значений высоты возвышения водной поверхности со свободноплавающего или заякоренного буя (прямой эхолот). Волнографы, принцип действия которых основан на обратной эхолокации, осуществляют зондирование границы раздела вода — воздух из-под воды. Радиолокаторы с синтезированной апертурой, альтиметры, установленные на спутниках, позволяют измерять основные характеристики ветровых волн.
Дистанционные методы позволяют получать характеристики ветровых волн на значительных территориях. На основе таких измерений, создаются современные атласы ветрового волнения. Представления о волновых данных можно получить на сервере Ьттр: //яии. иаэес1тшаЭе. сош.
Как показала история развития наших фундаментальных знаний о волнении, необходима тесная связь теоретических, экспериментальных и натурных исследований. Ветер является существеннейшим параметром, от которого зависят геометрические характеристики волнения. Однако при устойчивом и довольно продолжительном ветре средние характеристики волн увеличиваются по пути их распространения, пока опи находятся под действием ветра.
Этот путь называется длиной разгона ветра, или просто разгоном. Трудности наблюдений морских волн и их регистрации в естественных условиях заставили ученых обратиться к лабораторному моделированию ветрового волнения. На заре изучения морского волнения лабораторное моделирование было почти единственным источником количественных характеристик волн. Однако этот источник оказался весьма ограниченным — и вот почему. Основная трудность при лабораторном моделировании волнения обеспечить достаточно большой разгон волн, т.е. нужно иметь длинные лотки.
Средние параметры волн обычно изменяются во времени и в !'л. 10. Волны о оноино 200 пространстве при усилении ветра увеличиваются, при ослаблении " уменьшаются. При очень большом разгоне и достаточно длительном действии ветра волны достигают максимально возможных для данной скорости ветра размеров. Такое волнение называют полностью развитым. В табл.
10.5 приведены значения высоты волн для полностью развитого волнения в зависимости от скорости ветра. Таблица 10.5 Г, м,1с 5 7 10 12 15 17 20 22 25 27 30 Ь,м 0,4 0,7 1,4 2,0 31 4,0 5,6 6,8 8,7 10 12 В прямолинейных лотках создать полностью развитое волнение невозможно. Существенный прогресс в изучении морского волнения методом лабораторного моделирования был сделан академиком В. В.
Шулейкиным ~156, 157), который предложил очень оригинальное решение этой задачи. Им был создан кольцевой бассейн (шторм-бассейн), на крыше которого были расположены несколько мощных вентиляторов, создающих ветровой поток. Поскольку канал был кольцевой, разгон волн мог обеспечиваться сколь угодно большим, и волны могли при различных скоростных режимах ветра достигать своих максимально возможных размеров. После отключения вентиляторов созданные в бассейне волны переходили в режим зыби и можно было исследовать процесс их затухания.
В шторм-бассейне Шулейкин исследовал уравнение баланса волновой энергии, которое применительно к условиям экспериментов имело вид — = И'о — И'в — И'о, (10. 1) Здесь И'о энергия, передаваемая волне ветром посредством силы нормального давления, И~„- энергия волнового движения, переходящая в другие виды энергии (диссипативпые потери), И;, — энергия, теряемая волной за счет трения о дно и стенки дЕ бассейна, — полное изменение энергии волны во времени. сИ Для очень больших скоростей ветра в реальных условиях полностью развитое волнение в океанах и морях практически не реализуется, так как очень сильные ветры обычно не охватывают одновременно столь большие пространства, на которых волнение может полностью развиться, или для этого пе хватает продолжительности действия ветра.
1л. 10. Волны в ааааяа 201 Изучение волновых движений океана имеет фундаментальный характер: его результаты важны для оптики, акустики, переформирования берегов, перемещения наносов, заносимости морских каналов и для процессов на шельфе. Воздушный поток над водной поверхностью Ветер, дующий над водной поверхностью, является источником энергии для ветровых воли. Ветровые волны, возникшие па первоначально неподвижной водной поверхности, сами оказывают значительное влияние на ветровой поток, который вследствие больших градиентов скорости в пограничном слое, является турбулентным. В пределах пограничного слоя характер движения определяется силой трения на подстилающей поверхности !73). Поток импульса гв в преде,пах приводного пограничного слоя сохраняет свою величину и выражается следующим образом: (10.
2) Ра где ра — плотность воздуха; и и ю горизонтальная и вертикальная составляющие пульсаций скорости ветра; 1/„, — динамическая скорость, или скорость трения: С, коэффициент сопротивления; р; средняя скорость на высоте в, В практике обычно используется коэффициент Сш, соответствующий вьпоте 10 м над невозмущенной водной поверхностью.
Для воздушного потока над шероховатой водной поверхностью профиль скорости ветра имеет вид 110.3) Г(в) = — '!и —, д во' где вв — параметр шероховатости, д постоянная Кармана. На рис. 10.3 показаны профили скорости ветра, измеренные в натурных условиях. Коэффициент сопротивления и параметр шероховатости зависят от разгона (протяженность водного пространства, на котором ветер воздействует на водную поверхность), продолжительности действия ветра и его скорости, стратификации воздушного потока. Отмечено, что коэффициент сопротивления растет более интенсивно в стадии зарождающегося волнения, чем в последующей стадии развивающегося волнения.
Существуют многочисленные эмпирические соотношения, определяющие зависимость коэффициента сопротивления от скорости ветра и условий стратификации приводного слоя. Приведем одну из этих зависимостей, полученную в ГГИ, для 1"л. 10. Волны о океане 202 2,0 , 1,0 0,7 0.,5 0 2 4 6 8 10 12 Г, м,1с Рис. 10.3.
Профили средней скорости ветра по измерениям на озере Вселуг нейтральных условий стратификации воздушного потока и небольших разгонов: Сш = (1,15+0,05Р10) 10-'. (10.4) При обтекании аэродинамически шероховатой поверхности зависимость се от скорости трения С' определяется формулой Чарнока: еа (10.5) д ' где д ускорение свободного падения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
