第三章+海水运动及其能源

第三章海水运动及其能源3.1波浪及其能源3.2潮汐及其能源3.3海(洋)流及其能源2第三章海水运动及其能源①波浪——在风和其他动力因素作用下，海面水体作周期性的起伏运动；波浪生成示意图3第三章海水运动及其能源②波浪运动曲线一般为正弦或余弦曲线，其实质为海水表面以波动形式传播，即水体并不随波向前运动，波浪中的每一水质点只做圆周运动。波浪要素图4第三章海水运动及其能源1、波浪要素①波峰：波浪昀高点②波谷：波浪昀低点③波高：波峰至波谷的距离-H④波长：相邻两个波峰或波谷的距离-L⑤周期：波浪通过相邻两个波峰或波谷的时间-T波浪要素图⑥波速：波长/周期-V⑦波幅：波高的二分之一-H/2⑧尖锐度：波高/波长-S5第三章海水运动及其能源2、波浪分类①风浪：风作用于海面产生，包括表面张力波和重力波，能量变化大②地震波：地震活动产生，波浪规模大③潮波：潮汐作用产生，周期长，昀小12小时④涌浪：离开起浪区的风浪，波长较长⑤内浪：两个不同密度水团界面上的波浪按成因6第三章海水运动及其能源2、波浪分类①进行波：波浪传播过程中，波峰和波谷次第前进②驻波：波浪无前进迹象，波峰和波谷在同一位置交替出现按波浪传播方式7第三章海水运动及其能源2、波浪分类两个传播方向相反的进行波相遇便形成驻波驻波特征图想一想，什么位置可能形成驻波？8第三章海水运动及其能源2、波浪分类①正弦波：波形曲线近似正弦曲线②摆线波：波形曲线近似摆线按波浪断面几何形态9第三章海水运动及其能源2、波浪分类①深水波：水深大于波长的1/2②浅水波：水深小于波长的1/2按波长与水深关系10第三章海水运动及其能源3、深水波①深水波的水质点运动：水分子以1/2波高为半径作圆周运动，水分子运动周期与波浪周期相等。深水中振动波特征图11第三章海水运动及其能源3、深水波②深水波的运动特征当水分子处在波峰时，其运动方向与波浪运动方向一致；当水分子处于波谷时，其运动方向与波浪运动方向相反；深水中振动波特征图处于1/2波峰或波谷处的水分子做垂直运动；处于波峰或波谷处的水分子做水平运动；12第三章海水运动及其能源3、深水波②深水波的运动特征2125.12gcTc/：周期：重力加速度：波长：波速Tgc式中：13第三章海水运动及其能源3、深水波②深水波的运动特征/c/HTHV速度：波浪表面水分子运动：周期：波高：波长：波速VTHc式中：14第三章海水运动及其能源3、深水波②深水波的运动特征/d20deHH：任一深度的波高：海面波高：海水深度d0HHd式中：波浪既在海面传播，同时也在重力方向传播，随水深增加，波高将迅速降低。15第三章海水运动及其能源4、浅水波①浅水波的水质点运动规律：波浪由深水区传入浅水区，其周期保持不变，但波长缩短，波高增大；受海底影响，其水质点随着水深增加，不再作圆周运动，而是椭圆运动，因此随着水深增加，椭圆水平半径不变，而垂直半径不断减小，在海底水质点仅作来回的往返运动。16第三章海水运动及其能源4、浅水波17第三章海水运动及其能源①浅水波的水质点运动规律4、浅水波浅水波基本特征图18第三章海水运动及其能源②浅水波的运动特征：gdV式中：：重力加速度：水深：波速gdV281gHE式中：：重力加速度：波高：波长：能量gHE4、浅水波19第三章海水运动及其能源②浅水波的运动特征：121181gHE222281gHE21EE222121HH随着波长缩短，波高将增大。4、浅水波20第三章海水运动及其能源②浅水波的运动特征：4、浅水波破浪的形成图21第三章海水运动及其能源4、浅水波22第三章海水运动及其能源5、深、浅水波的差异①深水波的水质点运动轨道呈圆形，从海面向深处，水深以算术级数增加，圆形轨道的半径以几何级数减小；浅水波的水质点运动轨道为椭圆形，随着接近海底，椭圆轨道的水平半径不变，垂直半径则迅速减小，在海底水质点变为往返运动；深水波浅水波23第三章海水运动及其能源5、深、浅水波的差异②深水波的传播速度取决于波长，而与深度无关；浅水波的传播速度取决于水深，波长随深度变浅而缩短；③深水波在传播过程中比较稳定，而浅水波随着水深变浅，波长缩短，波高变大，昀后形成破浪；24第三章海水运动及其能源6、涌浪特点与成因①特点——波长较大；具有较规则外形，排列比较整齐，波峰线较长，波峰较宽，波面比较平滑，波形接近正弦波形状；②成因——空气阻力和海水涡动的粘滞性、离散、角散。25第三章海水运动及其能源7、中国海区波浪特点①北部海区波高小，南部海区波高大，年平均波高向南增大，南海约0.6-0.8m；②冬季昀大波高出现在渤、黄海，庙岛列岛附近冬季达8m，向南降低；夏季昀大波高出现在南海，西沙以南达12m，向北降低。26第三章海水运动及其能源8、波浪的折射、绕射①折射：ABdtc/sin11ABdtc/sin222121csinsincC1C2，导致α1α2，引起波浪传播方向发生变化，形成波浪折射。波浪折射图等深线波浪传播方向波浪的传播方向完全与岸线垂直dtc1dtc227第三章海水运动及其能源8、波浪的折射、绕射②绕射：波浪遇到堤坝和海岛等障碍物时，正面波浪发生反射，障碍物两侧波浪继续前进，向障碍物后方向扩散，按折射原理传到障碍物后侧的波影区；波浪的绕射图28第三章海水运动及其能源9、波浪能源开发波浪蕴藏着巨大的能源；理想波能资源区应具备的条件：位于主要风带内；靠近人口稠密地区；具有可使入射波浪的方向与海岸线平行的海底条件，如英国西部沿海区。29第三章海水运动及其能源9、波浪能源开发目前可行的波能开发技术机理：利用海水垂直起伏运动推动涡轮机；依靠随波浪运动而发生横摇、纵摆或升降的浮体，通过凸轮或翼片推动水轮机；利用收缩水道聚波技术来推动水轮机。30第三章海水运动及其能源9、波浪能源开发波浪鸭波能发电装置——平滑波浪的装置原理——从左边过来的波浪使波浪鸭摆动，波浪鸭右边做成柱形，使右边的海面不再有波浪，能量从摇摆轴上取得。由Solter提出31第三章海水运动及其能源9、波浪能源开发波力发电航标灯80年代由上海航道局设计，解决了海上航标灯的电力问题。波能发电装置——利用波动水柱的装置原理——当波浪遇到部分浸在水中的空腔时，空腔中水柱会上下波动，从而引起上部气体或液体的压力变化。空腔可通过某种涡轮机与大气相连，并从涡轮机获得能量。32第三章海水运动及其能源9、波浪能源开发波浪发电航装置波能发电装置——利用波动水柱的装置挪威使用的大型波浪发电装置，装置设计容量500kW，设在海边悬崖上，其电力已并入电网。33第三章海水运动及其能源9、波浪能源开发复式海浪发电装置英国培尔法斯特大学设计，1万KW，大型浮体复式波能发电装置。波能发电装置——利用波动水柱的装置34第三章海水运动及其能源9、波浪能源开发截取波浪的波浪能利用装置波能发电装置——截取波浪的波浪能利用装置原理——利用在河口发生的波浪在堤坝前打碎自然现象，水体甩起来超过平均海平面，并落在坝后的水池中。水体可以通过低水头轮机返回海里。35第三章海水运动及其能源9、波浪能源开发“坝礁”波能发电装置美国洛克希德公司设计，半浮式，依靠波浪起伏引起水轮机转动发电。波能发电装置——“坝礁”波浪能转换装置原理——波浪进入靠近海面的开口，流经一组导片和旋转叶片。由于波浪的折射，波浪从各个方向进入结构物的中心部分。旋转的叶片使海水在中心区呈螺旋状向下运动。这种旋转的水柱犹如一个液体飞轮，使水轮机转动、发电。36第三章海水运动及其能源波能为可再生、环保能源，开发前景广阔；9、波浪能源开发浮式波能电站岸式波浪发电站位于广东汕尾市遮浪镇葡萄牙37第三章海水运动及其能源9、波浪能源开发然而，迄今为止，世界上还没有一座大型波能电站，波能开发存在的主要问题包括：世界各海区波浪的波高与周期有明显的日变化和季节变化，能量分布不稳定；能量分散，集中起来困难；发电设备庞大，影响航运和渔业；发电设备受破坏性海浪、飓风等影响较大，安全性差；改变海洋营养物质和温度的分布，影响近岸海域水体循环；电站事故引起的环境污染。第三章海水运动及其能源3.1波浪及其能源3.2潮汐及其能源3.3海(洋)流及其能源39第三章海水运动及其能源1、潮汐要素①潮汐：在天体（月球、太阳）作用下，海洋表面海水周期性的起伏或涨落运动，又称潮波，周期长(12~24h)②要素：涨潮：海水上涨期平潮：海水在最高潮停留期退潮：海水下降期停潮：海水在最低潮停留期潮汐要素图40第三章海水运动及其能源1、潮汐要素②要素：涨潮时：低潮到高潮的时间落潮时：高潮到低潮的时间周期：低潮到高潮，再到低潮的时间潮差：低潮位到高潮位的距离潮汐要素图41第三章海水运动及其能源2、引潮力①引潮力：月球、太阳和其它天体对地球表面上单位质量物体的引力和对地心单位质量物体的引力之差220DrEMgF月球对地球中心引力：22drEMgFP月球对地球表面一点引力：任一点的引潮力分析图42第三章海水运动及其能源2、引潮力0-FFFP月球引潮力：一点距离：月球中心距地球表面：月、地中心距离：地球半径：地球质量：月球质量dDrEM任一点的引潮力分析图43第三章海水运动及其能源2、引潮力sin)(sin0PFFFH月球水平引潮力：cos)(cos0PFFFV月球垂直引潮力：2sin2333DrEMg)1cos3(33DrEMg任一点的引潮力分析图44第三章海水运动及其能源2、引潮力②引潮力以月球和太阳引潮力为主，其中太阳引潮力是月球引潮力的46%③引潮力产生海水潮汐，也引起地壳和地幔固体潮和大气的气潮，它们反过来影响海洋潮④太阴潮——月球引起的潮汐；太阳潮——太阳引起的潮汐45第三章海水运动及其能源3、潮汐分类①半日潮：一个太阴日内有两次高潮和低潮，相邻的高潮或低潮大体相等②混合的不规则半日潮：一个太阴日内有两次高潮和低潮，但两次低潮或高潮的潮高不等，涨潮时和落潮时也不等按太阴日内发生的潮汐次数和特征太阴日：地球上任一点两次经过对月点的时间差（24h25min）46第三章海水运动及其能源3、潮汐分类③全日潮：在半个月中，有连续7天以上天数在一个太阴日内出现一次高潮和低潮，少数几天呈现半日潮，且潮差较小④混合不正规全日潮：在半个月内大多数日子里为不正规半日潮，少数日子里出现一个太阴日内的全日潮，又称潮汐的不等现象太阴日：地球上任一点两次经过对月点的时间差（24h25min）按太阴日内发生的潮汐次数和特征47第三章海水运动及其能源4、潮汐的不等现象48第三章海水运动及其能源4、潮汐的不等现象①半月不等：初一和十五形成大潮（月球、太阳和地球位于一直线上，它们对地球引力的方向相同，导致潮差大），初七、初八、二十二和二十三形成小潮（月球、太阳对地球引潮力近垂直，合力较小，导致潮差小）②月不等：月球绕地球旋转过程中引潮力变化引起的潮差变化49第三章海水运动及其能源4、潮汐的不等现象③日不等：高潮和低潮潮差每天的变化④赤纬不等：由于月球轨道面与地球赤道延伸面斜交，在每个回归月（27.3206天）中，月球半个月处于赤道面以北，半个月处于赤道面以南，从而形成的潮汐赤纬不等现象50第三章海水运动及其能源5、潮汐规律当月球绕地球旋转时，有两次达到与赤道最大夹角位置（近乎两极）的时候，这时，由于地球自转，在赤道仍为正规半日潮，在高纬度区出现全日潮，而在其他纬度出现日不等混合潮，越近赤道半日潮的成分越大，越接近南北极，全日潮的成分越显著。潮汐椭球图51第三章海水运动及其能源6、中国近海潮汐①不同地点、不同时间的潮汐现象不同，地形对潮汐有影响；②潮差几十厘米至10米（钱塘江口）；③受地形与岸线影响，东海平均大潮潮差向西北方向最大，越靠近大陆，潮差显著增大；黄海和渤海的西侧潮差小，东侧潮差大。52第三章海水运动及其能源6、中国近海潮汐中国沿海区平均大潮差分布图53第三章海水运动及其能源6、中国近海潮汐④既有半日潮、全日潮，