Sóng biển lan truyền từ ngoài khơi vào bờ sẽ bị vỡ khi chiều cao sóng đạt tới một giá trị tới hạn so với độ sâu nước. Sóng vỡ sẽ biến chuyển động sóng thành chuyển động rối, đặc trưng bởi các xoáy cuộn có kích thước khác nhau.
Đối với một cấu trúc nhất định, chúng ta có thể dự đoán được khi một dòng chảy trở nên rối, dựa trên số Reynolds' (
v Ul
Re , với U là vận tốc trung bình theo chiều sâu, v độ nhớt động học nước và l là độ dài đặc trưng của dòng chảy), rối là một quá trình hỗn loạn, nó không phải là quan hệ tuyến tính với dòng chảy có nghĩa (không thay đổi) (hình 3. 8).
Năng lượng rối (TKE) tương ứng với năng lượng được tạo ra bởi thành phần rối của sự chuyển động của các hạt nước:
) ' ' ' ( 2 1 2 2 2 w v u k (3.1)
Giả sử rối đó là đẳng hướng (u'~v'~w'), phương trình 3.1 dẫn đến 2
' 2 3
u
40
Hình 3. 8. Hai dòng chảy với vận tốc trung bình theo thời gian khác nhau (ui) nhưng có thành phần rối tương đương (ui')
Xin lưu ý rằng bởi vì mỗi thành phần rối đã được xem xét trong phương trình 3.1, TKE thu được tương ứng với tổng TKE của dòng chảy rối.
0 E( )dx
k (3.2)
Các TKE thay đổi theo kích thước của các xoáy nước được coi là đầy biến động (3.l), từ đó chúng ta thể hiện một bước sóng
l
2 (hình 3. 9).
41
Các phần quán tính của phổ rối tuân theo định luật Kolmogorov-Obukhov '5/3':
3 / 5 3 / 2 ) ( C E (3.3)
với ɛ: tốc độ tản TKE và C hằng số phổ Kolmogorov (C≈1,5).
Hình 3. 10. Biến thiên dòng chảy và năng lượng rối trung bình trong vùng sóng tràn
lúc 08h48 ngày 29/5/2013
Trên hình 3. 10cho thấy năng lượng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn lớn nhất là 96,6 m2/s2 và nhỏ nhất là 72 m2/s2. Năng lượng rối trung bình trong vùng sóng vỡ và sóng tràn không phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy của sóng. Khi vận tốc dòng chảy trong vùng sóng tràn tăng thì năng lượng rối trung bình cũng tăng dần lên, năng lượng rối khi pha nước đi lên thường lớn hơn so với năng lượng rối trung bình khi pha nước đi xuống. Nhưng năng lượng rối trung bình lớn nhất không xảy ra khi vận tốc dòng chảy đạt giá trị lớn nhất. Do nó còn phụ thuộc vào cấu trúc phân tầng của năng lượng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn được thể hiện trên hình 3. 11. Trong khoảng 35 mm (từ tầng 40÷75 mm) thì năng lượng rối có sự thay đổi rất lớn theo độ sâu, ở tầng trên cùng từ 40÷42 mm thì năng lượng rối gần như bằng không còn trong đoạn từ 42÷44 mm thì năng lượng rối dao động trong khoảng từ 50÷400 m2/s2. Và nó tập trung ở các cell trung tâm hơn và kéo dài theo thời gian.
42
Hình 3. 11. Cấu trúc phân tầng năng lượng rối trong vùng sóng tràn lúc 08h48 ngày
29/5/2013
Hình 3. 12. Biến thiên dòng chảy và năng lượng rối trung bình trong vùng sóng tràn
lúc 08h49 ngày 29/5/2013
Trong hình 3. 12, năng lượng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn lớn nhất là 120 m2/s2 và năng lượng rối nhỏ nhất là 91 m2/s2. Năng lượng rối trung bình lớn
43
nhất khi pha nước đang đi xuống và gặp pha nước tiếp theo đang đi lên. Vận tốc của dòng chảy trong pha nước lên và xuống càng lớn thì gây ra năng lượng rối trung bình càng lớn. Trong khoảng 35 mm (từ tầng 40÷75 mm) thì năng lượng rối có sự thay đổi rất lớn theo độ sâu, năng lượng rối diễn ra mạnh ở các cell bên trên và yếu dần ở các cell dưới đáy (hình 3.13).
Hình 3. 13. Cấu trúc phân tầng năng lượng rối trong vùng sóng tràn lúc 08h49 ngày
29/5/2013
Hình 3. 14. Biến thiên dòng chảy và năng lượng rối trung bình trong vùng sóng tràn
44
Từ hình 3. 14, năng lượng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn lớn nhất là 0,0293 m2/s2 và năng lượng rối nhỏ nhất là 0,00156 m2/s2. Năng lượng rối trung bình lớn nhất khi pha nước đang đi xuống và gặp pha nước tiếp theo đang đi lên. Vận tốc của dòng chảy trong pha nước lên và xuống càng lớn thì gây ra năng lượng rối trung bình càng lớn.
Hình 3. 15. Cấu trúc phân tầng năng lượng rối trong vùng sóng tràn lúc 16h35 ngày
29/5/2013
Trong khoảng 35 mm (từ tầng 40÷75 mm) và trong khoảng 5,1 s thì năng lượng rối có sự thay đổi không lớn theo độ sâu mà thay đổi theo thời gian, năng lượng rối diễn ra mạnh ở các cell bên trên và khi pha nước đi xuống gặp pha nước đi lên tiếp theo (hình 3. 15).
Năng lượng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn lớn nhất là 0,15 m2/s2 và năng lượng rối nhỏ nhất là 0,00347 m2/s2 (hình 3. 16). Năng lượng rối trung bình lớn nhất khi pha nước đang đi xuống và gặp pha nước tiếp theo đang đi lên và khi pha nước đi lên được tăng cường thêm từ các pha nước tiếp theo. Vận tốc của dòng chảy trong pha nước lên và xuống càng lớn thì gây ra năng lượng rối trung bình càng lớn.
45
Hình 3. 16. Biến thiên dòng chảy và năng lượng rối trung bình trong vùng sóng tràn
lúc 16h54 ngày 29/5/2013
Trong khoảng 35 mm (từ tầng 40÷75 mm) và trong khoảng 9,5 s thì năng lượng rối có sự thay đổi không lớn theo độ sâu nhưng thay đổi theo thời gian, năng lượng rối diễn ra mạnh ở các tầng cell bên trên khi pha nước đi xuống gặp pha nước đi lên tiếp theo và khi pha nước đi lên được tăng cường thêm từ các pha nước tiêp theo (hình 3. 17).
Hình 3. 17. Cấu trúc phân tầng năng lượng rối trong vùng sóng tràn lúc 16h54 ngày
46
Hình 3. 18. Biến thiên dòng chảy và năng lượng rối trung bình trong vùng sóng tràn
lúc 08h54 ngày 30/5/2013
Năng lượng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn lớn nhất là 0,129 m2/s2 và năng lượng rối nhỏ nhất là 0,000424 m2/s2 (hình 3. 18). Năng lượng rối trung bình lớn nhất khi pha nước đi lên được tăng cường thêm từ các pha nước tiếp theo.
Hình 3. 19. Cấu trúc phân tầng năng lượng rối trong vùng sóng tràn lúc 08h54 ngày
47
Trong khoảng 35 mm (từ tầng 40÷75 mm) và trong khoảng 8,5 s thì năng lượng rối có sự thay đổi theo độ sâu và theo thời gian, năng lượng rối diễn ra mạnh ở các tầng cell bên dưới khi pha nước đi xuống gặp pha nước đi lên tiếp theo và khi pha nước đi lên được tăng cường thêm từ các pha nước tiếp theo (hình 3. 19).
Hình 3. 20. Biến thiên dòng chảy và năng lượng rối trung bình trong vùng sóng tràn
lúc 09h04 ngày 30/5/2013
Hình 3. 21. Cấu trúc phân tầng năng lượng rối trong vùng sóng tràn lúc 09h04 ngày
48
Năng lượng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn lớn nhất là 0,133 m2/s2 và năng lượng rối nhỏ nhất là 0,000907 m2/s2 (hình 3. 20). Năng lượng rối trung bình lớn nhất khi pha nước đi xuống gặp pha nước đi lên tiếp theo. Còn trong quá trình pha nước đi lên hoặc đi xuống thì năng lượng rối rất nhỏ và không thay đổi nhiều. Trong khoảng 35 mm (từ tầng 40÷75 mm) và trong khoảng 11 s thì năng lượng rối có sự thay đổi theo thời gian, năng lượng rối diễn ra mạnh ở các tầng cell bên dưới khi pha nước đi xuống gặp pha nước đi lên tiếp theo (hình 3. 21).
Hình 3. 22. Biến thiên dòng chảy và năng lượng rối trung bình trong vùng sóng tràn
lúc 09h40 ngày 30/5/2013
Năng lượng rối trong vùng sóng vỡ và sóng tràn lớn nhất là 0,0318 m2/s2 và năng lượng rối nhỏ nhất là 0,0075 m2/s2 (hình 3. 22). Năng lượng rối trung bình lớn nhất khi pha nước đi xuống gặp pha nước đi lên tiếp theo. Trong khoảng 35 mm (từ tầng 40÷75 mm) và trong khoảng 21,44 s thì năng lượng rối có sự thay đổi theo độ sâu và thời gian, năng lượng rối diễn ra mạnh ở các cell bên trên khi pha nước đi xuống gặp pha nước đi lên tiếp theo (hình 3. 23).
49
Hình 3. 23. Cấu trúc phân tầng năng lượng rối trong vùng sóng tràn lúc 09h40 ngày
30/5/2013
Như vậy năng lượng rối TKE lớn nhất khi pha nước đi xuống gặp pha nước đi lên tiếp theo hoặc khi pha nước đi lên được tăng cường thêm pha nước đi lên tiếp theo. Trong khoảng thời gian rất ngắn chỉ vài giây thì năng lượng rối TKE thay đổi theo cả độ sâu và thời gian. Năng lượng rối TKE gây ra quá trình vận chuyển trầm tích từ đáy và di chuyển dọc bãi của các hạt cát. Vì vậy năng lượng rối càng mạnh thì quá trình vận chuyển trầm tích càng mạnh gây ra xói mòn bờ biển làm biến đổi đường bờ.