В.А. Магницкий - Общая геофизика (скан) (1119281), страница 48
Текст из файла (страница 48)
Энергия, передаваемая волнам 2б1 Рис 2.9. Схема воздействив' ветра на частицы воды в различных фазах их движенив по круговым орбитам ветровым потоком посредством касательного напряжения, как показали работы последних лет, много меньше энергии, обусловленной пульсациями давления. Основой для расчета развития и затухания ветровых волн является баланс энергии при волнении: (2.32) где Š— волновая энергия в бесконечно глубоком вертикальном столбе воды с единичным сечением, И~ — мощность, которая передается ветром единице поверхности жидкости, Ƅ— энергия, переходя|цая за единицу времени в другие виды энергии, с, — групповая скорость, х — координата в направлении распространения волн.
Использование выражения (2.32) требует знания отдельных его составляющих. Впервые такие оценки экспериментально были выполнены В.В. Шулейкиным в созданном им уникальном штормовом бассейне (рис. 2.10). Штормовой бассейн представляет собой кольцевой канал с внешним и внутренним радиусами, равными 40 и 38 м соответственно, и высотой 5,6 м. Для создания ветрового потока используется система центробежных вентиляторов, установленных на крыше.
Благодаря кольцевой форме возникающие в бассейне волны не имеют начала и конца и достигают предельных параметров установившегося волнения, характерных для данной скорости ветра и глубины воды. Если вентиляторы отключить, то волны начинают затухать. Таким образом, установка позволяет исследовать не только процесс нарастания волн под действием ветра, но и их затухание. Примеры зависимости роста волны от времени при различных скоростях ветра, полученные в штормовом басейне, пред- 262 Рис. 2.10. Фотографии зыби (а), ветровой волны (б) и волны перед разрушением (в) в штормовом бассейне: 1 — вентиляторы на крыше бассейна, 2 — — волна ставлены на рис.
2.П. По нарастающей ветви приведенных кривых можно оценить величину аЖ/~Й, а по нисходящим ветвям— мощность, которую теряют волны из-за трения воды о стенки и дно канала. Определив эти величины из эксперимента, можно по уравнению (2.32) рассчитать и величину Ю. При этом следует иметь в виду, что для кольцевого канала член д/дх (с Е) равен нулю. й,, СИ1 Я' Я ~; мин Рис.
2.11. Развитие и затухание волн в штормовом бассейне при различных ветровых режимах Возникновение волн на поверхности жидкости под действием пульсаций давления в ветровом потоке рассмотрел Филлипс (1980). Пт:.льсации давления в приводном слое воздуха, изменяющиеся по гармоническому закону, вызывают на поверхности воды гармони- ~сскис волны той же частоты. Эксперименты показали, что если н ветровом потоке, распространяющемся над водой, существует спектр п,льсаций давления, то на поверхности жидкости возникает спектр волн, максимальная амплитуда которого будет определять- ся точкой экстремума выражения Рж ехр (2.33) Здесь Р— интегральное давление, приложенное к воде, со — частоты в спектре волнения, Ь вЂ” постоянная, характеризующая размер неоднородностей водной поверхности и имеющая размерность длины. Из сказанного вытекает, что максимумы в спектре давления и в спектре волн, возникающих на поверхности под действием пульсаций давления в воздухе, могут не совпадать, что и подтверждается экспериментами.
Механизм зарождения волн Филлипса представляет собой резонансный механизм зарождения волн под действием турбулентных пульсаций давления в воздухе. При этом теория Филлипса не учитывает обратной связи, возникающей в системе ветер-волны, полагая, что генерированные пульсациями волны малы и не возмущают ветровой поток. Модель, учитывающая воздействие волн на ветровой поток, была развита Майлсом, который предположил, что волны взаимодействуют с возмущенным ими воздушным течением. Согласно последним данным, часть напряжения трения в приводном слое воздуха над взволнованной водной поверхностью, индуцированная волнами, составляет 0,2 от полного значения этой величины. Майлсом введено понятие критического слоя, верхняя граница которого определяется уровнем, где скорость ветра совпадает с фазовой скоростью волн.
Это так называемый слой совпадения. Согласно Майлсу, профиль скорости ветра в слое совпадения определяет величину потока импульса и энергии к волнам и, следовательно, скорость их роста. Как показал.анализ экспериментальных данных, механизм Майлса эффективен только в ограниченном интервале фазовых скоростей волн. На основании представлений, развитых Филлипсом и Майлсом, можно составить следующую картину развития ветрового волнения.
Волны на поверхности жидкости зарождаются под действием пульсаций давления в ветровом потоке в результате резонансного механизма. Возникшие на поверхности жидкости волны сначала развиваются сравнительно медленно и спектр их растет линейно с течением времени. Со временем линейная стадия роста спектра волн переходит в экспоненциальную. Причем скорость роста составляющих спектра волн не одинакова: быстрее растут высокочастотные составляющие, которые первыми и достигают насыщения (предельных размеров), Несмотря на целый ряд ограничений, лежащих в основе модели Филлипса — Майлса, эта теория оказалась работоспособной и перспективной, о чем свидетельствует большое количество работ, посвященных ее усовершенствованию. Вместе с тем теория ветроволнового взаимодействия все еще далека от своего завершения.
Помимо механизмов, рассмотренных Филлипсом и Майлсом, в природе действует ряд факторов, которые влияют на изменение поля ветровых волн. Метод учета различных факторов ветроволнового взаимодействия путем введения в правую часть баланса волновой л энергии функции источника в виде Д = „"> Д,. предложил Хассельман. ~=1 При этом Д, определяет воздействие ветрового потока на поверхность жидкости, т.е. соответствует механизму Филлипса. Эта функция не зависит от времени и от спектра волнения.
Функция Д2 описывает линейное взаимодействие волн с воздушным потоком и соответствует механизму Майлса. Функция Дз учитывает диссипацию волновой энергии, обусловленную молекулярной и турбулентной вязкостью воды. Д4 — нелинейная передача энергии между отдельными спектральными составляющими волнения. Эта функция ответственна только за перераспределение энергии по частотам волнения. Остальные Д, описывают нелинейное взаимодействие в системе ветер — волны, взаимодействие волн с течениями, процессы обрушения волн, / влияние поля плотности на спектр волнения. Все эти вопросы требуют дальнейшего изучения и постановки лабораторных и натурных экспериментов. При этом следует иметь в виду, что в лабораторных условиях правомерно исследовать только генерацию и начальную стадию развития ветровых волн.
Изучение же стадии развивающего-. ся и развитого ветрового волнения требует проведения натурных исследований. ВНУТРЕННИЕ ВОЛНЫ Слоистое строение водных масс природных водоемов, о котором упоминалось выше, служит причиной возникновения внутренних волн. Внутренние волны появляются только в устойчиво стратифицированной среде при выводе частиц жидкости из положения равновесия.
Такие частицы под действием силы тяжести и силы Архимеда будут совершать колебательные движения вокруг положения равновесия. Распространяясь, эти колебания и создают внутренние волны. Очень широк диапазон параметров внутренних волн: период их изме2бб няется от нескольких минут до нескольких суток, высота' может достигать 100 м, а длина —, 100 км. В то же время внутренние волны могут иметь и сантиметровые размеры. Форма длинных внутренних волн почти синусоидальна. Короткие же внутренние волны часто имеют более сложную форму -и распространяются обычно в виде групп или цуяОВ.
Внутренние волны, в окиичие от поверхностнык, не могут быть зафиксированы самостоятельно. О наличии их в толще вод судят ~~~~ба~~~~ температуры, солености, плотности или скорос®и (рис. 2.12). Одном из характеристик внутренних волн является частота Брента-Вяйсяля — частота колебаний, которые возникают при небольшом отклонении жидкости от положения равновесия.
Частота Брента — Вяйсяля имеет четкий максимум, расположенный в слое скачка плотности, величина которого в среднем составлиет 2 ° 10 2 Гц. Поскольку волновые числа внутренних волн малы (в силу большой длины внутренних волн), а высота их, как правило, значительна, влиянием вязкости на затухание внутренних волн обычно пренебрегают. В последнее время была показана возможность обрушения внутренних волн, что должно способствовать турбулизации вод Мирового океана. Внутренние волны генерируются под влиянием различных факторов.
Это могут быть колебания атмосферного давления и ветра, атмосферные фронты, приливообразующие силы, подвижка участков дна, резонансное воздействие поверхностных волк, обтекание стратифицированными течениями неровностей дна и др. Интересно отметить, что колебания атмосферного давления генерируют внутренние волны с помощью механизма, близкого к резонансному механизму Филлипса, описанному выше. Спектры внутренних волн, в отличие от волн поверхностных, не имеют четких пиков. Исключение составляют инерционная и приливная частоты, для которых энергия максимальна и превышает энергию внутренних волн на других частотах.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
