椭圆余弦波

波浪传入近海浅水区(0.05

椭圆余弦波(Cnoidal Wave)理论是最主要的浅水非线性波浪理论之一。该理论最早由科特韦格(Kortweg)和迪弗里斯(De Vries)于1895年提出,其后由很多学者(如库莱根(Keulegan)-帕特森(Patterson)、凯勒(Keller)、威格尔(wiegel))进行了修正和改进,使之应用于工程实际。所谓椭圆余弦波理论,是指水深较浅条件下的有限振幅、长周期波。它之所以被称为椭圆余弦波,是由于其波面高度是用Jacobian椭圆余弦函数cn来表示的。[2]

可以利用Ursell数来判断浅水。首先引入参数ε=d/L(水深与波长的比),ε越小说明水深越浅。另外由于非线性,还引入波高与波长的比值波陡δ=H/L作为运动非线性的标准。Ursell(1953)把两个参数结合起来,引入Ursell判据,即

可以看出,Ur远大于1时,δ大、ε小,即强非线性波与长波;当Ur=o(1)时,δ与ε相当,对于弱非线性和中等程度的波长,适合于stokes波浪理论;而当Ur远小于1时,δ效、ε大,相当于水深与波长相比较、而振幅较小的波浪,即线性波理论适用的范围。由此可见,Ur远大于1就是浅水有限振幅波的判据。在此情况下,发展了一类称之为椭圆余弦波的浅水波浪理论。椭圆余弦波包括了很大一类的有限振幅长波。理论适合的范围是d/L<1/8,Ur>26(Laitone,1963)。[2]

以椭圆余弦函数表示的有限深渠道中的非线性波。它是科尔泰沃赫-德弗里(Korteweg-de Vries)方程的周期解。其波形为

式中 x 为水平方向的横坐标;cn(x/β)为椭圆余弦函数;h1和h2为波峰和波谷的纵坐标值;β为一参量。β的表达式为

式中 c 为波速;h为水深;g为重力加速度。波长λ的表达式为

式中F1(k)为以k为模数的第一类完全椭圆积分。参量l与水深h之间还满足下式

式中E1(k)为以k为模数的第二类完全椭圆积分。椭圆余弦波中有6个量h1、h2、l、k、λ和β,受式(2)、(4)、(5)、(6)4个方程约束。若给定波长λ和波峰的纵坐标h1,则其他各量即可求得,而波速c可从式(3)求得。当水深与波长之比在1/50至1/10范围内,可用椭圆余弦波来计算其对海洋结构物的载荷。[3]

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