Lý thuyết sóng: Hiện tượng nhiễu xạ sóng

MỤC LỤC

Sóng nhiễu xạ

Hiện tượng nhiễu xạ xảy ra khi sóng tiếp cận với công trình có kích thước đáng kể so với chiều dài sóng. Trường hợp này sóng không dội lại hoàn toàn mà chỉ dội lại một phần, thường xẩy ra tại các đê chắn sóng, mố cầu, mố trụ dàn khoan bê tông, hoặc các cửa ra vào của cảng. Năng lượng qua các mặt cắt sóng có hiện tượng nhiễu xạ rất khác nhau.

Ta xét bài toán ba chiều theo x, y, z do chuyển động của sóng là chuyển động thế nên bỏ qua xoáy. -φ thoả mãn các điều kiện trên mặt tự do và đáy khu nước giống như trong hệ phương trình chuyển động sóng. -φ thoả mãn tính liên tục của sóng nhiễu xạ và sóng từ ngoài khơi đưa vào.

Còn phương trình cần giải bằng phương pháp số không có lời giải giải tích trong trường hợp tổng quát. Trong trường hợp tính toán đê chắn sóng cho bể cảng người ta dùng các công thức thực nghiệm hoặc thí nghiệm trên mô hình vật lý. Hdif- chiều cao sóng nhiễu xạ trong vùng nhiễu xạ của một điểm nào đó.

Khi sóng nhiễu xạ trong vùng kín như bể cảng thì cần phải xét đến hiện tượng phản xạ.

Sóng đổ

Số liệu quan trắc thực tế cho thấy tung độ của mặt sóng biển (độ chênh mặt sóng so với mực nước tĩnh) biến đổi ngẫu nhiên theo không gian và thời gian, ký hiệu η(x,y,t)và thường được mô tả bằng mô hình xác suất. - Phương pháp sóng thiết kế: mô tả các thông số sóng theo các tần suất đảm bảo, phù hợp với quy định trong quy phạm hay tiêu chuẩn thiết kế công trình biển, mục đích là xác định các giá trị trưng bình cực trị theo các giá trị xác xuất i%. Trong khoảng thời gian này, các đặc trưng thống kê của sóng có thể coi như không đổi, tức là trạng thái biển đó được coi là dừng và như vậy có thể áp dụng lý thuyết quá trình ngẫu nhiên dừng để mô tả.

- Chiều cao sóng đáng kể HS được định nghĩa là giá trị trung bình của một phần ba số sóng có chiều cao lớn nhất trong tổng số các sóng thống kê trong một bản ghi sóng. Như vậy, để mô tả trường ngẫu nhiên η(x,y,t) của trạng thái biển ngắn hạn, thường sử dụng bộ thông số đầy đủ các giá trị HS, TZ, và θ, thường ký hiệu q(HS,TZ,θ). Là tập hợp các trạng thái biển ngắn hạn trong một thời gian dài (một vài năm) thể hiện qua các bộ thông số q(HS,TZ,θ) của các trạng thái biển ngắn hạn khác nhau trong vùng biển xem xét.

Độ lệch mặt sóng được mô tả theo quá trình ngẫu nhiên đã nêu có các thành phần được coi là độc lập theo nghĩa thống kê nên có thể áp dụng lý thuyết giới hạn trung tâm. Trong tính toán công trình biển thường giả thiết tất cả các sóng lan truyền theo hướng chính (theo hướng chủ đạo của hoa sóng hoặc hướng có độ cứng nhỏ nhất của kết cấu), nghĩa là chỉ xét đến sóng đơn hướng được đặc trưng bởi phổ Sηη( )ω. Tập hợp các trạng thái biển ngắn hạn trong khoảng một thời gian dài (một vài năm, vài chục năm hoặc nhiều hơn nữa) tạo thành một trạng thái biển dài hạn ở vùng biển đang xét.

Một trạng thái biển ngắn hạn được đặc trưng bởi một cặp tham số HS và TZ, như vậy trong một khoảng thời gian xác định T sẽ nhận được một tập hợp các cặp giá trị (HS, TZ). Chia các miền giá trị của HS và TZ thành nhiều khoảng (thường lấy bề rộng 1m với HS và 1s với TZ). Ghi tần suất pij xảy ra từng cặp vào ô tương ứng, có được biểu đồ gọi là biểu đồ phân tán sóng trong thời gian T với:. T gian thêi trong biển thái trạng sè Tổng. thêi dồng i ng khoả. cã biển thái trạng. Hàm phân phối xác suất dài hạn của HS và TZ. Dựa vào biểu đồ phân tán sóng có thể xác định được hàm phân phối xác suất hai chiều dài hạn của HS và TZ. Biểu đồ bố sóng. fHSTZ , ) - hàm mật độ xác suất hai chiều của chiều cao sóng đáng kể HS và chu kỳ cắt không TZ. - Cộng pij theo hàng và ghi kết quả vào cột ∑ j ở hình (10-9a) (đó là tần suất tương đối để chiều cao sóng thuộc vào mỗi khoảng chia, chẳng hạn pHsi là tần suất của chiều cao sóng đáng kể thuộc khoảng chia i).

Khi có tập ban đầu của chiều cao sóng riêng biệt, cũng có thể dùng phép kiểm nghiệm và ước lượng tham số để nhận được trực tiếp hàm phân phối xác suất FL( )H. Xét trường hợp N=1năm, gọi N1 là tổng số sóng trong 1 năm và NE1 là số sóng trong 1 năm có chiều cao vượt một giá trị cho trước H của chiều cao sóng riêng biệt. Khi đã biết các tham số β, C, D và tổng số sóng N1, tìm mối quan hệ giữa chiều cao sóng H và lgNE1 sẽ được biểu đồ số sóng vượt trong 1 năm tại vùng biển đang xét.

Từ biểu đồ có thể xác định được số sóng có chiều cao nằm trong khoảng (Hi, Hi+1) và từ đó xác định được số chu trình ứng suất tương ứng phục vụ cho việc tính toán công trình biển. Những thống kê dài hạn về hướng sóng theo tháng và mùa sẽ là cơ sở để tính toán thiết kế và lựa chọn phương án thi công, góp phần đảm bảo khả năng khai thác lâu dài của các công trình biển.

Hình vẽ 10- 7. Mô tả sóng thực.
Hình vẽ 10- 7. Mô tả sóng thực.

Sóng ở biển Đông và Việt nam

Kết quả phân bố chiều cao và tần suất sóng quan trắc hướng Tây nam trên biển Đông thể hiện trên hình 10-10. Nếu không kể đén những ngày có bão, sóng gió và sóng lừng trong mùa hè thường có cường độ nhỏ hơn sóng mùa đông, chiều cao sóng trung bình khoảng 1,2m có khi tới 3m và chu kỳ khoảng 5÷9 giây. Vào các thời kỳ chuyển tiếp giữa hai mùa gió, sóng gió và sóng lừng tuy vẫn còn chịu ảnh hưởng của các hệ thống gió mùa nhưng sóng đã yếu dần.

Thời kỳ này có thể thấy nhiều hệ sóng gió khác nhau, ít ổn định về hướng và cường độ theo thời gian và sóng lừng cũng ít bền vững hơn so với mùa gió chính. Trên biển, cách trung tâm bão khoảng vài trăm km (tùy theo cường độ bão) thường hình thành nhiều hệ sóng và cách xa trung tâm bão hàng nghìn km có thể thấy sóng lừng do bão truyền đến. Khi bão còn đang ở ngoài khơi biển Đông, các đợt sóng lừng được hình thành do các hệ sóng gió ở trung tâm bão truyền ra xa, tại đây hướng gió đã thay đổi và tốc độ giú đó giảm rừ rệt.

Tốc độ di chuyển của bóo trờn biển thường ớt khi vượt quá 25km/giờ, trong khi tốc độ di chuyển của sóng bão có thể đạt tới 30km/giờ, thậm chí tới 50km/giờ hoặc hơn. Càng xa dần tõm bóo, súng lừng càng giảm rừ rệt về chiều cao, mặt cắt súng cú dạng đều đặn với sườn sóng thoai thoảI và chu kỳ sóng tăng lên tới 15 giây. Sự phân bố sóng trên biển do bão không đơn giản như sóng do gió mùa vì có sự xuất hiện đồng thời nhiều hệ sóng với hướng và cường độ rất khác nhau, diễn biến nhanh không theo không gian và thời gian.

Tuy nhiên, có thể nội suy các giá trị gần đúng từ kết quả khảo sát sóng bão bằng các thiết bị hiện đại ở một số vùng biển khác nhau. Sóng biển ở khu vực tâm bão là những sóng cực lớn, mặt sóng có độ dốc lớn, hỗn độn xen kẽ nhau và không có hướng xác định, loại sóng này rất nguy hiểm đối với tàu. Khi hướng gió đã thay đổi đáng kể so với hướng truyền sóng (khoảng trên 450) hoặc khi tốc độ đã dần nhỏ hơn tốc độ truyền sóng đi xa dưới dạng dao động tắt dần.

Càng xa tâm bão (khoảng hàng trăm, hàng nghìn hải lý), chiều cao sóng càng giảm nhưng chu kỳ sóng lại tăng lên, có thể tới 30 giây hay hơn. Theo kết quả quan sát từ nhiều năm nay, sóng bão lớn và nguy hiểm nhất thường ở bên phải, góc phía trước theo đường di chuyển của bão. Ở Việt nam, trung tâm Khí tượng Thủy văn đã thu thập và xây dựng các bảng tần suất của chiều cao sóng cho ba vùng biển Bắc, Trung và Nam Việt nam.

Hình vẽ 10- 10. Sơ đồ các vùng biển Việt nam.
Hình vẽ 10- 10. Sơ đồ các vùng biển Việt nam.