2.Энергия ветровых волн

2.1.Элементы волны

Каждая волна характеризуется определенными элементами. Общими элементами для волн являются :  1. вершина - наивысшая точка гребня волны;  2. подошва - самая низкая точка ложбины волны;  3. высота (h) - превышение вершины волны;  4. длина () - горизонтальное расстояние между вершинами двух смежных гребней на волновом профиле, проведенном в генеральном направлении распространения волн;  5. период (Т) - интервал времени между прохождением двух смежных вершин волн через фиксированную вертикаль; другими словами, это промежуток времени, в течение которого волна проходит расстояние, равное своей длине;  6. крутизна (е) - отношение высоты данной волны к ее длине. Крутизна волны в различных точках волнового профиля различна. Средняя крутизна волны определяется отношением: 

, (1)

7. скорость волны (с) — скорость перемещения гребня волны в направлении ее распространения, определяемая за короткий интервал времени порядка периода; волны;  8. фронт волны — линия на плане взволнованной поверхности, проходящая по вершинам гребня данной волны, которые определяются по ножеству волновых профилей, проведенных параллельно генеральному направлению распространении.

Рисунок 1. Основные элементы волны

2.2Скорость ветровых волн

Ветровые волны характеризуются лишь незначительным горизонтальным перемещение воды. С ростом глубины горизонтальное перемещение становится пренебрежительно малым уже при глубине, превышающей длину волны. В результате на глубокой воде волны практически не взаимодействуют с дном и их поведение не зависит от глубины. Поэтому фазовая скорость волны является функцией только длины волны. На глубокой воде

(2)

Любая система, в которой скорость волны зависит от ее длины, называется дисперсной. Следовательно, глубокий океан является типичной дисперсной системой. При скорость волны становится независимой от( система перестает быть дисперсной). Но при этом становится зависимой от глубины.

На мелкой воде

(3)

Все перечисленное выше относится к фазовой скорости волны. Групповая скорость, т.е. скорость распространения энергии, отличается от фазовой скорости в дисперсной среде. Для двух предельных случаев (глубокая и мелкая волна) верны следующие соотношения:

на глубокой воде:

(4)

на мелкой воде:

(5)

2.3.Высота волны

Высота волны зависит:

1. разгона волны;

2. продолжительности действия ветра;

3. скорости ветра.

Рисунок 2. График зависимости высоты волны от скорости ветра

Максимальная зафиксированная высота волны равнялась 34 м; длина ее составляла 342 м; период 14,8 с.. Она имела фазовую скорость 23,1м/с и групповую скорость около 11,5 м/с

2.4Энергия волн

Согласно гидродинамической теории, энергия волны складывается из кинетической энергии E_к частиц жидкости, участвующих в волновом движении, и потенциальной энергии E_п, определяемой положением массы жидкости, поднятой над уровнем спокойной поверхности. В волнах малой амплитуды энергия, приходящаяся на площадь, имеющую длину волны и единичную ширину:

, (6)

где - плотность жидкости,;- ускорение свободного падения,;

- длина волны, м; - высота волны, м.

Полная механическая энергия жидкости, приходящаяся на единицу длины:

, (7)

Поток энергии через полоску вертикальной плоскости единичной ширины и бесконечной глубины, перпендикулярную направлению распространения волны, определяется как работа сил давления по выбранному направлению в единицу времени в среднем за период волны или как скорость переноса волновой энергии :

, (8)

Таблица 1. Потоки волновой энергии в морях России

Рисунок 3. Зависимость потока волновой энергии от скорости ветра