PIV And Water Waves (Advances in Coastal and Ocean Engineering) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:World Scientific Publishing Company

作者:Pedersen, Geir K. 编

出品人:

页数:352

译者:

出版时间:2004-10-28

价格:USD 79.00

装帧:Paperback

isbn号码:9789812389497

丛书系列:

图书标签:

• PIV
• 水波
• 海岸工程
• 海洋工程
• 流体动力学
• 实验流体动力学
• 波浪力学
• 数值模拟
• 水动力学
• 海洋物理学

波浪动力学中的基本原理与复杂现象 本书旨在深入探讨水波动力学的核心概念，从基础的水体运动原理出发，逐步揭示复杂波浪现象的成因、传播机制以及其在海岸和海洋工程领域的重要应用。我们将追溯波浪生成的物理过程，解析不同类型波浪的特性，并重点关注波浪与结构物相互作用的物理机制。 第一章：水波基础理论 本章将为读者建立坚实的水波动力学基础。我们将从流体力学基本方程开始，引入伯努利方程在描述无粘性、不可压缩流体中的速度势理论，并详细阐述线性波浪理论的四大基本假设：小振幅、不可压缩性、无粘性以及流体质点运动的无旋性。在此基础上，我们将推导出二维和三维线性波浪的运动方程，包括连续性方程和动量方程。 线性波浪理论是理解大多数波浪现象的基石，我们将详细推导其求解方法，重点分析自由表面边界条件和底部边界条件在确定波浪特性的作用。通过求解拉普拉斯方程，我们将获得速度势函数，并进一步推导出水质点在波浪作用下的运动轨迹，包括水平和垂直位移，以及速度和加速度。 此外，本章还将引入波浪的关键参数：波高、波长、周期、频率、波浪数以及波速。我们将详细阐述这些参数之间的内在联系，并通过具体的数学推导说明它们是如何由水深、波浪周期等基本物理量决定的。例如，我们将详细推导浅水波、深水波以及介于两者之间的中间水深波的色散关系，并分析波浪在不同水深下的传播速度差异。 我们还将探讨波浪的能量和动量守恒定律。波浪所携带的能量密度以及能量的传播速度（波群速度）是理解波浪能量传输的关键。我们将推导波浪的能量密度公式，并解释其如何与波高和波长相关。同时，我们将阐述波浪的平均动量以及动量通量，这对于理解波浪对结构物产生的力至关重要。 为了更全面地理解波浪的实际表现，我们将引入波浪谱的概念。波浪谱是描述海浪状态的重要工具，它能够将复杂的、不规则的海浪分解为一系列不同频率和幅度的简谐波的叠加。我们将介绍傅里叶分析的基本原理，并将其应用于波浪谱的构建，包括能量谱密度函数和相位谱。读者将了解如何通过波浪谱来评估海浪的能量分布、平均波高、平均周期等重要统计量。 第二章：波浪的生成与演化 本章将深入探讨波浪是如何产生的，以及在传播过程中是如何发生变化的。我们将从最主要的波浪生成机制——风浪开始，详细阐述风与水面之间的能量交换过程。我们将介绍Phillips机制、Miles机制等描述风浪生成的关键理论，并分析风速、风时长和风距（Fetch）等因素对波浪发展的决定性影响。 在风浪生成之后，波浪会经历一个复杂的演化过程。我们将详细介绍波浪的“发展”阶段，即波浪能量随着传播距离和时间的增加而逐渐增长，直至达到相对稳定的风浪谱。我们将分析波浪谱的演化规律，包括谱峰频率的移动和谱宽的变化。 除了风浪，我们还将介绍其他重要的波浪生成机制，如涌浪（Swell）。涌浪是远离生成区域的、具有较低频率和长波长的波浪，它们在传播过程中能量衰减较慢，能够传播至很远的距离。我们将分析涌浪的传播特性，以及它与近岸波浪的相互作用。 在波浪传播过程中，还会出现一些非线性效应，即使在相对较小的水深下，这些效应也可能变得显著。我们将介绍浅水波理论中的一些关键概念，如当波高与水深的比值增大时，波浪的形状会发生显著变化，例如出现陡峭的波峰和不对称的波谷。我们将提及非线性波浪理论的一些基本方程，并解释其与线性波浪理论的区别。 地形对波浪传播的影响是海岸工程中一个至关重要的方面。我们将详细分析波浪在传播过程中，由于水深变化而引起的波浪折射（Refraction）和衍射（Diffraction）现象。折射是由于波浪在不同水深处的传播速度不同，导致波浪方向发生偏转的现象，我们将推导Snell定律在波浪折射中的应用。衍射是波浪绕过障碍物（如离岸堤）后，波浪能向阴影区传播的现象，我们将介绍惠更斯原理在波浪衍射中的应用。 此外，我们将深入探讨波浪的破碎（Breaking）现象。波浪破碎是能量耗散的主要机制之一，也是导致海岸线地貌形成的关键因素。我们将分析导致波浪破碎的各种条件，包括水深、波浪陡度以及近岸流等。我们将介绍不同类型的波浪破碎，如 the plunging breaker, the spilling breaker and the surging breaker，并分析其形成机理和能量耗散特征。 第三章：波浪与结构物的相互作用 本章将聚焦于波浪与各类海洋工程结构物之间的相互作用，这是海岸和海洋工程领域的核心研究内容。我们将从波浪对固定结构物产生的力学效应开始，详细分析波浪在结构物表面产生的压力分布以及由此引起的合力。 我们将引入Morison方程，这是一个广泛应用于计算波浪作用在圆柱形结构物（如桩基）上的阻力与惯性力的经验公式。我们将详细阐述Morison方程中的拖曳力系数（Cd）和质量系数（Cm）的选取原则，以及它们如何受到水动力学参数（如雷诺数）和结构物几何形状的影响。 对于更大尺寸的结构物，如防波堤、码头和平台，线性波浪理论的适用性会受到限制，我们需要引入衍射理论来分析波浪绕过或作用于这些结构物时的复杂流场。我们将讨论当结构物的尺寸与波长相当时，波浪的绕射效应是如何显著改变波浪场的。 波浪与浮体结构物的相互作用是另一重要课题。我们将分析浮体结构物在波浪激励下产生的六个自由度（三个平移和三个转动）的运动。我们将介绍浮体的运动方程，并重点分析波浪引起的附加质量（Added Mass）和辐射阻尼（Radiation Damping）等概念，它们是描述浮体在水中运动时所受到的流体动力学效应的关键。 波浪的非线性效应在与结构物的相互作用中也扮演着重要角色。例如，当波浪通过窄缝或与锐利边缘的结构物相互作用时，可能会产生强烈的非线性效应，导致波浪的形状和能量发生显著变化。我们将讨论这些非线性效应可能对结构物产生的冲击力以及结构物的疲劳寿命产生的影响。 此外，我们还将探讨波浪力对结构物稳定性产生的影响。例如，在风浪条件下，波浪力可能导致浮体结构物的倾覆或不稳定性。我们将分析如何通过对结构物进行动力学分析来评估其在极端波浪条件下的安全性。 第四章：海岸工程中的波浪应用与挑战 本章将把前几章的理论知识应用于实际的海岸和海洋工程问题。我们将重点讨论海岸防护工程，如防波堤、海堤、消浪桩等的设计原则和功能。我们将分析不同类型的海岸防护结构物是如何利用波浪的能量衰减原理来保护海岸线的。 防波堤的设计是海岸工程中的一个典型问题。我们将分析防波堤的消浪效果，包括其对波浪高度、波浪能以及波浪方向的衰减作用。我们将介绍一些用于评估防波堤性能的经验公式和数值模拟方法。 离岸结构物，如石油平台、海上风力发电基础等，在恶劣的海洋环境中承受着巨大的波浪载荷。我们将探讨这些结构物的设计中需要考虑的因素，包括结构物的刚度、强度以及抗疲劳性能。 波浪能的利用是当前海洋工程研究的热点之一。我们将介绍几种主要的波浪能转换装置（OWC, Pelamis, etc.），并分析其工作原理、能量转换效率以及面临的技术挑战。 同时，我们也必须认识到波浪对海岸环境造成的潜在挑战。例如，过度开发的海岸线可能导致海岸侵蚀加剧，生态系统受到破坏。我们将探讨如何通过科学的海岸管理和工程措施来减缓这些负面影响。 最后，我们将展望未来海岸和海洋工程领域的研究方向，包括更精确的波浪数值模型、智能化的结构物监测系统以及可持续的海洋开发利用策略。 本书内容将以严谨的数学推导和清晰的物理原理阐述相结合的方式呈现，旨在为海岸和海洋工程领域的学生、研究人员及工程师提供一个全面而深入的学习资源。

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