Ανεμογενείς Κυματισμοί

Transcript

1 Ανεμογενείς Κυματισμοί Γένεση Ανεμογενών Κυματισμών: Μεταφορά ενέργειας από τα κινούμενα κατώτερα ατμοσφαιρικά στρώματα στις επιφανειακές θαλάσσιες μάζες. Η ενέργεια αρχικά περνά από την ατμόσφαιρα στην θάλασσα με την διάτμηση και στη συνέχεια με την αναδιαμόρφωση του πεδίου των πιέσεων πάνω από τις κορυφές και τις κοιλιές του κύματος. Σειρά ΙV 2 1

2 Θεωρία Phillips (1957) και Miles (1960): H κυματογένεση ξεκινά με γραμμική αύξηση του κύματος, λόγω συντονισμού με τις τυρβώδεις διαταραχές πιέσεως και τριβής στην επιφάνεια και συνεχίζει με εκθετικό ρυθμό. Σειρά ΙV 3 Γένεση των κυματισμών Συσχέτιση ταχύτητας ανέµου στα 10m πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας µε τον άνεµο σε ύψος z πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας: m/s Ρυθµιστική ταχύτητα λόγω µη γραµµικής σχέσης ταχύτητας ανέµου και διατµητικής τάσης: Τομέας κυματογένεσης: Κυκλικός τομέας ± 45 ο εκατέρωθεν της κατεύθυνσης πνοής του ανέμου Σειρά ΙV 4 2

3 Αποτελεσματικό ή ισοδύναμο (F effective) μήκος αναπτύγματος των κυματισμών Σειρά ΙV 5 Αποτελεσματικό ή ισοδύναμο (F effective) μήκος αναπτύγματος των κυματισμών Σχεδιάστε τα απαιτούμενα για τον υπολογισμό του μήκους αναπτύγματος των κυματισμών που προκαλούνται από ΒΔ άνεμο στην παραλία ΠΑΡΑΔΕΙΣΙ της Ρόδου. Σειρά ΙV 6 3

4 Τα στοιχεία του κυματισμού Η και Τ είναι συναρτήσεις των: t D = διάρκεια πνοής του ανέμου U = ταχύτητα του ανέμου F= μήκος αναπτύγματος των κυματισμών 1. Ανάπτυξη με περιορισμένο F: t D μεγάλο Κύμα ~ F & U 2. Ανάπτυξη με περιορισμένο t D : F μεγάλο Κύμα ~ t D & U 3. Πλήρως ανεπτυγμένη κατάσταση (FDS). F & t D μεγάλα Κύμα ~ U 10 Οπτικές παρατηρήσεις από εμπορικά και πολεμικά πλοία από Βρεττανικό Ναυαρχείο Κοντά στην ακτή: κατακόρυφοι μεταλλικές ράβδοι ηλεκτρικό κύκλωμα Κυματογράφος πιέσεως στον πυθμένα Πλωτοί ιππείς κυματων 3D! Σειρά ΙV 7 Γεωστροφικός Άνεμος O άνεμος που δημιουργείται από τη δύναμη της πίεσης και την δύναμη Coriolis (ή γεωστροφική δύναμη) που οφείλεται στην περιστροφή της γης. Είναι οριζόντιος και η έντασή του εξαρτάται από την απόσταση των ισοβαρών. Πάνω από από ωκεανούς ή μεγάλες θάλασσες ο γεωστροφικός άνεμος πλησιάζει τον πραγματικό. Δύναμη Coriolis Σειρά ΙV 8 4

5 Γεωστροφικός άνεμος (Geostrophic wind) ρ η πυκνότητα του αέρα (1.3 kg/m 3 ) f = 2Ωsinφ ο συντελεστής Coriolis φ το γεωγραφικό πλάτος Ω η γωνιακή ταχύτητα περιστροφής της γης dp/dn η βαροβαθμίδα (1mb = 100 Pa/m 2 ) Σειρά ΙV 9 Γεωστροφικός άνεμος (Geostrophic wind) Ο επιφανειακός άνεμος U 10 έχει κατεύθυνση στραμμένη προς το βαρομετρικό χαμηλό κατά 20 ο - 40 ο Σειρά ΙV 10 5

6 Πραγματικοί κυματισμοί Οι κυματισμοί που δημιουργεί η επίδραση του ανέμου στην επιφάνεια της θάλασσας, δεν είναι «μονοχρωματικοί». Η επιφάνεια της θάλασσας μπορεί να προσεγγιστεί με σύνθεση περισσοτέρων απλών κυματισμών και να αναλυθεί ως στοχαστικό μέγεθος Ανεμογενείς κυματισμοί=στοχαστικά μεγέθη που ακολουθούν συγκεκριμένους πιθανολογικούς νόμους κατανομής Σειρά ΙV 11 ΑΝΕΜΟΓΕΝΕΙΣ ΚΥΜΑΤΙΣΜΟΙ Μονοχρωματικός κυματισμός (1 συχνότητα) η πραγματική μορφή της ελεύθερης επιφάνειας της θάλασσας μπορεί να προσεγγιστεί με επαλληλία ημιτονοειδών κυμάτων Για κάθε αρμονική συνιστώσα η πυκνότητα ενέργειας υπολογίζεται από τη σχέση Σειρά ΙV 12 6

7 Εύρος Συχνοτήτων Διασπορά Ενέργειας: περιγράφεται από το φάσμαs ηη (ω) Μεγάλο κύμα: άθροισμα κυματοκορυφών Σειρά ΙV 13 Freak Wave Draupner Βορειότερη βόρεια θάλασσα Data από Statoil Σειρά ΙV 14 7

8 Freak Wave Draupner Βορειότερη βόρεια θάλασσα Data από Statoil Σειρά ΙV 15 Μέθοδος Zero up-crossing Σειρά ΙV Page 16 8

9 Μέθοδος Zero up-crossing ΙΙ Σειρά ΙV 17 ΚΑΤΑΝΟΜΗ Rayleigh H πιθανότητα υπέρβασης μιας τιμής H Σειρά ΙV 18 9

10 Zero up-crossing method Sort Wave heights Crest elevations ascending Page 19 Σειρά ΙV Στατιστικά ύψους κυματισμών σε 3 διαφορετικά βάθη Κλίση Πυθμένα=1/100 Μη γραμμικοί κυματισμοί ακολουθούν γενικά ειδικές περιπτώσεις της κατανομής Weibull όπου α και β παίρνουν διάφορες ΕΜΠΕΙΡΙΚΕΣ τιμές ανάλογα με το βάθος, την κλιση πυθμένα, την θραύση κλπ. π.χ. Κατανομή Forristall (1978) Σειρά ΙV Page 20 10

11 Χαρ/κά Μεγέθη Πραγματικών Κυματισμών Μέσο ύψος κύματος ΣΗΜΑΝΤΙΚΟ ΥΨΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ = η μέση τιμή του ανώτερου 33% των υψών κύματος H μέγιστη πιθανή τιμή H max σε δείγμα Ν τιμών Η: όπου Ν= Τ L /Τ z (αν δεν είναι γνωστό) Τ L η διάρκεια καταγραφής και Τ z η μέση περίοδος κύματος. Σειρά ΙV 21 ΠΡΟΓΝΩΣΗ ΚΥΜΑΤΙΣΜΩΝ (wave forecasting) εμπειρικά μοντέλα δυναμικά-υπολογιστικά μοντέλα ΕΜΠΕΙΡΙΚΑ ΜΟΝΤΕΛΑ ΠΡΟΓΝΩΣΗΣ SMB (Svedrup-Munk-Bretschneider) JONSWAP-PM (ενεργειακά φάσματα) Σειρά ΙV 22 11

12 ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΦΑΣΜΑΤΑ-1.Φάσμα JONSWAP Μετρήσεις στη Β. Θάλασσα ανάπτυξη κυματισμών με περιορισμό μήκους Σειρά ΙV 23 Jonswap Σειρά ΙV 24 12

13 2. Φάσμα Pierson Moskowitz (PM) Η διάρκεια πνοής του ανέμου και το μήκος αναπτύγματος είναι απεριόριστα Σειρά ΙV 25 Pierson Moskowitz Σειρά ΙV 26 13

14 Jonswap vs. P.M. Κατανομή Mitsuyasu (1975) παράμετρος κατευθυντικότητας s. cos 2s (θ) s 0 μεγάλη κατευθυντικότητα s χωρίς κατευθυντικότητα Αντιστοιχεί σε σ θ =28 κανονικής κατανομής. Κατευθυντικότητα Σειρά ΙV 27 Κατευθυντικοί Κυματισμοί (3D) Mitsuyasu, s=9 Σειρά ΙV 28 14

15 ΠΡΟΓΝΩΣΗ ΚΥΜΑΤΙΣΜΩΝ Με τη χρήση ενεργειακών φασμάτων (1/3) Α. Ισχύει η ανισότητα οι κυματισμοί έχουν πλήρη ανάπτυξη Άρα ισχύει το ενεργειακό φάσμα ΡΜ (Pierson - Moskowitz) Σειρά ΙV 29 ΠΡΟΓΝΩΣΗ ΚΥΜΑΤΙΣΜΩΝ Με τη χρήση ενεργειακών φασμάτων (2/3) ΤΟΤΕ γίνεται εφαρμογή του ενεργειακού φάσματος JONSWAP ΝΑΙ ανάπτυξη κυματισμών σε συνθήκες περιορισμένου μήκους Επίλυση των εξισώσεων (5.29) και (5.30) για τον υπολογισμό των H s και T p με x=f Σειρά ΙV 30 15

16 ΠΡΟΓΝΩΣΗ ΚΥΜΑΤΙΣΜΩΝ Με τη χρήση ενεργειακών φασμάτων (3/3) Αν δεν ισχύει επιλύουμε την (5.31) έως ισότητα για νέο υπολογισμό νέου F ΤΟΤΕ: θέτουμε x=f το οποίο αντικαθίσταται πάλι στις (5.29) και (5.30) για τον υπολογισμό των Hs και Tp Σειρά ΙV 31 Ανεμος ΒΑ: A. Σημαντικά Μεγέθη: Μέθοδος SMB Παράδειγμα Διεύθυνση Ένταση (BF) (mph) Συχνότητα (%) Διάρκεια (h) Μήκος F (Km) BA Από το νομογράφημα SBM (βλέπε επόμενη διαφάνεια): Η s =H s,o =2.3m T=5.8s T s =0.95*5.8=5.5s (άνεμος περιορισμένης διάρκειας) Τ p =T/0.781=7.04s (θεωρείται φάσμα Jonswap λόγω περιορισμένης διάρκειας, αλλιώς θα ήταν Τ p =T/0.71 που αντιστοιχεί σε φάσμα πλήρους ανάπτυξης PM) Σειρά ΙV 32 16

17 Υπολογισμός Ποσότητας Μεταφερόμενων Φερτών (Ιζήματος) Από το παρακάτω νομογράφημα (SBM) προσδιορίζω τα σημαντικά μεγέθη Η s και Τ s. Σειρά ΙV 33 Δυναμικά (υπολογιστικά) μοντέλα πρόγνωσης κυματισμών Διατήρηση της κατευθυντικής φασματικής πυκνότητας ενέργειας Το κυµατικό µοντέλο ΠΟΣΕΙΔΩΝ Σειρά ΙV 34 17