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Harbor Engineering

波浪绕射:菲涅耳边缘与开口近似

这是傍轴标量绕射教学模型,假设水深恒定、单色波和理想屏障。不计算真实港湾的反射、波浪破碎、底摩擦、海底地形、方向谱或船舶运动。请勿用于港湾静稳度或安全性判定。

参数设置
s
m
°
m
m
m
计算结果
—
振幅比 K_D
—
观测点波高 H
—
波长 L
—
群速度 C_g
—
入射能量通量 P₀
菲涅耳振幅分布

黄色点为观测点,虚线为傍轴入射方向。颜色表示振幅比K_D(蓝色较小,红色为1或更大),亮度变化表示相位。坐标以米计算,结果不受屏幕宽度影响。

理论与主要公式

这是傍轴标量绕射教学模型,假设水深恒定、单色波和理想屏障。不计算真实港湾的反射、波浪破碎、底摩擦、海底地形、方向谱或船舶运动。请勿用于港湾静稳度或安全性判定。

$$\omega^2=gk\tanh(kd),\quad L=2\pi/k,\quad C_g=\frac{L}{2T}\left(1+\frac{2kd}{\sinh(2kd)}\right)$$

$$K_D=\frac{\left|\frac12+C(\nu)+i\left(\frac12+S(\nu)\right)\right|}{\sqrt2},\quad \nu=(y-x\sin\theta)\sqrt{\frac{2}{Lx}}$$

单边缘的开放侧为y>0,开口范围为−B/2<y<B/2。以p=sinθ表示傍轴入射倾斜,取Y=y−xp。开口模式取u±=(±B/2−Y)√(2/(Lx))、F=C+iS,K_D=|F(u+)−F(u−)|/√2。这不是满足水波反射边界的Penney–Price解。

群速度由有限水深分散关系求导得到。浅水极限为C_g≈√(gd),深水极限为C_g≈C/2。入射平均能量密度以波高H₀(并非振幅)计算为ρgH₀²/8,乘以C_g得到通量。常数为ρ=1025kg/m³、g=9.81m/s²。

如何理解结果?

🙋
波高减半,能量也减半吗?
🎓
同一水深的线性波能量密度与波高平方成正比,K_D=0.5时为四分之一。此处P₀是入射能量通量,不是整个港湾的能量收支。
🙋
K_D超过1是否代表计算出错?
🎓
不一定。绕射与干涉可以使局部振幅超过入射波。请比较不同位置,不要将K_D强行截断到1;这不构成安全保证。

载入实例并检算

影边界实例取θ=0°、y=0m,得到K_D=0.500;H₀=1m时H=0.500m。浅水实例取T=18s、d=3m,波长L≈97.042m。开口实例取T=6s、d=10m、B=50m、x=300m、y=0m。干涉会使K_D随宽度和位置非单调变化。

理论与主要公式

这是傍轴标量绕射教学模型,假设水深恒定、单色波和理想屏障。不计算真实港湾的反射、波浪破碎、底摩擦、海底地形、方向谱或船舶运动。请勿用于港湾静稳度或安全性判定。

单边缘的开放侧为y>0,开口范围为−B/2<y<B/2。以p=sinθ表示傍轴入射倾斜,取Y=y−xp。开口模式取u±=(±B/2−Y)√(2/(Lx))、F=C+iS,K_D=|F(u+)−F(u−)|/√2。这不是满足水波反射边界的Penney–Price解。

群速度由有限水深分散关系求导得到。浅水极限为C_g≈√(gd),深水极限为C_g≈C/2。入射平均能量密度以波高H₀(并非振幅)计算为ρgH₀²/8,乘以C_g得到通量。常数为ρ=1025kg/m³、g=9.81m/s²。

常见问题

可以用于港湾设计吗?

不可以。模型将线性波分散关系与菲涅耳教学近似相结合,不模拟真实港湾的反射或破碎,无法判定安全性或系泊条件。

K_D超过1是错误吗?

局部干涉可能产生大于1的振幅比,不代表整个港湾的总能量增加。

水深和周期能独立设置吗?

可以。给定恒定水深d和周期T后,通过ω²=gk tanh(kd)求得波数k与波长L。这并不意味着T与d相互依赖。

能量通量表示什么?

P₀=(ρgH₀²/8)C_g表示入射规则波通量,单位kW/m,不是不规则波有义波高、局部波力或越浪量的预测。

来源与检算范围

参数设置

  1. 选择形状、周期、水深与入射波高。
  2. 设置观测点x、y;开口模式还需设置B。
  3. 载入实例,在计算结果标签中查看数值。
  4. 阅读警告与模型限制,不将结果当作工程设计值。