Water Wave Mechanics for Engineers & Scientists (Advanced Series on Ocean Engineering-Vol2) (v. 2) pdf epub mobi txt 电子书 下载 2026

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出版者:World Scientific Publishing Company

作者:Robert G. Dean

出品人:

页数:568

译者:

出版时间:1991-01

价格:USD 36.00

装帧:Paperback

isbn号码:9789810204211

丛书系列:

图书标签:

• 水波力学
• 海洋工程
• 工程师
• 科学家
• 波动理论
• 水动力学
• 流体力学
• 海洋科学
• 高等教育
• 学术研究

高级海洋工程系列丛书 (Advanced Series on Ocean Engineering) 第二卷：水波动力学基础与应用 （此卷内容不包含《工程师与科学家水波力学》） --- 丛书前言 海洋，作为地球表面积的绝大部分，不仅是气候系统和生物多样性的关键组成部分，更是人类活动，从能源开发到交通运输，再到沿海防护的重要领域。海洋的动力学行为，尤其是水波的运动规律，是理解和工程化应用海洋环境的基石。本“高级海洋工程系列丛书”旨在系统、深入地探讨海洋工程领域的前沿理论、先进方法和关键应用，特别关注那些对现代海洋工程实践具有决定性影响的物理现象和工程挑战。 本系列丛书的定位是面向海洋工程、土木工程（结构与水利方向）、地球物理学、大气科学以及相关交叉学科的高年级本科生、研究生、研究人员及一线工程师。我们力求在保持科学严谨性的同时，强调实际工程中的可操作性和前瞻性。 --- 第二卷：水波动力学基础与应用 （专注于非线性波浪理论、随机波场分析及极端波浪现象） 第一部分：非线性波浪理论的深化 本卷的第二部分将重点聚焦于超越经典线性浅水和深水波理论范畴的、更具真实物理特性的非线性波浪现象。在实际海况中，波高与波长的比值增大，或在浅水区，线性假设往往失效，此时必须采用更高阶的非线性模型。 第一章：高阶斯托克斯理论与达尔文理论 本章将详细阐述高阶斯托克斯（Stokes）波的构建过程，从二阶到五阶甚至更高阶的解析解。重点在于理解其对波形、波速（相速与群速的差异，即色散关系的中断）以及波面坡度的影响。对比分析达尔文（Darwin）的椭圆波理论，特别是在分析近岸破碎波浪的初始阶段，探讨两者在描述波形不对称性方面的优势与局限。引入冯·卡门（von Kármán）对非线性波浪的早期贡献，为后续的数值方法打下理论基础。 第二章：非线性浅水波：浅水方程组 本章深入探讨在水深远小于波长时，如何精确模拟波浪行为。我们将详细介绍浅水方程组（Shallow Water Equations, SWE）的推导，该方程组本质上是质量守恒和动量守恒的非线性偏微分方程组。重点分析其在描述水跃（Hydraulic Jumps）和非线性色散效应中的应用。内容将涵盖雅可比椭圆函数在求解准周期浅水波中的应用，以及对“龙立波”（Solitons）在浅水区稳定传播的数学特性分析，包括Korteweg-de Vries (KdV) 方程及其广义形式的数值求解策略。 第三章：非线性波浪中的能量与动量传递 分析非线性波浪对波能谱的重分配机制，特别关注费·艾尔（Fjeldstad）的非线性色散关系如何影响波群的传播速度和相互作用。讨论非线性相互作用（如三波相互作用）在激发或抑制特定频率分量中的作用。这部分将为理解风浪的自组织特性（如菲利普斯谱的演化）提供严谨的理论框架。 第二部分：随机波场分析与统计海洋学 真实海况本质上是随机和不规则的。本部分侧重于描述和预测复杂随机波场的统计特性，这是海洋结构设计和环境荷载评估的核心。 第四章：随机过程理论在海浪中的应用 回顾傅里叶分析在处理平稳随机过程中的局限性，并引入谱密度函数（Spectral Density Function）的概念。详细分析海浪谱的常用模型，如Pierson-Moskowitz (P-M) 谱、JONSWAP 谱（针对风浪生成区）以及 Torsethaugen 谱（针对衰减区）。讨论如何利用这些谱模型构建具有特定统计学特性的合成波列，并探讨谱的矩（Moments）与海浪统计特性（如有效波高、平均周期）之间的精确关联。 第五章：极值理论与极端海况预测 本章关注海洋工程中至关重要的“最坏情况”分析。系统介绍极值统计学（Extreme Value Theory, EVT）在波浪学中的应用。深入讲解Fisher-Tippett-Gnedenko 分布（包括Gumbel, Fréchet 和 Weibull 分布）在线外推百年一遇或千年一遇波高的应用。讨论联合概率模型（Joint Probability Models）在分析波高与波浪周期、以及波浪与水流耦合作用下的联合极端事件的必要性。引入波浪包络模型的概念，用于更精确地描述瞬时大波的概率分布。 第六章：高阶谱分析与波浪聚焦 超越二阶矩（方差和协方差）的限制，引入高阶谱矩（三阶谱、四阶谱等）在描述随机波场的非对称性和非高斯性。重点分析调制效应（Modulation Effects）和波浪聚焦现象（Wave Focusing）。探讨在特定非线性或随机背景下，波峰（Crest）与波谷（Trough）的形态不对称性，以及如何使用高阶统计量来校正线性模型中对极端波峰幅值的低估问题。 第三部分：波浪与结构的相互作用——高级流固耦合 本部分将前两部分开发的理论工具，应用于分析波浪载荷对海洋工程结构的影响，侧重于非线性响应和流固耦合（Fluid-Structure Interaction, FSI）。 第七章：绕射、散射与衍射理论的局限 回顾麦克弗森（MacCamy-Fuchs）衍射理论在线性情况下的应用。随后，重点分析在波高较大或结构尺寸与波长相当时，衍射区域的非线性特征。介绍边界元法（BEM）和有限元法（FEM）在处理复杂边界条件和流固耦合系统中的高级应用，特别是处理非线性边界条件下的绕射问题。 第八章：极端波浪载荷与结构疲劳分析 讨论如何将极值理论的结果（来自第五章）与结构动力学模型相结合，计算极端波浪载荷下的瞬态响应。重点分析瞬时最大载荷（如Green Water Loading, GWL）的概率分布建模和峰值冲击压力（Impact Pressure）的确定。此外，将引入随机过程理论在长期疲劳寿命评估中的应用，讨论如何将波浪能谱转换为结构荷载谱，并采用Willenborg或Rainflow计数法进行疲劳损伤累积计算。 第九章：水动力非线性与流固耦合建模 深入研究流体作用力中的非线性项，包括第二阶次力（Steady Streaming）和流致阻尼效应。分析在系泊系统和柔性立管设计中，必须考虑的流固耦合（FSI）问题。介绍诸如莫拉尔-肖伯特（Morison-Schott）修正模型及其在描述小直径结构物（如缆索）非线性运动中的局限性，并过渡到全耦合的拉格朗日-欧拉法（Lagrangian-Eulerian Coupling）在高柔性结构物响应模拟中的优势。 --- 结语 本卷《高级海洋工程系列丛书 第二卷：水波动力学基础与应用》旨在弥补现有教材在处理海洋工程实际挑战中不可避免的非线性与随机性方面的不足。通过对高阶理论、极端值统计和流固耦合的系统阐述，期望为未来的海洋工程师和科学家提供一套坚实的理论工具箱，以应对更深水、更复杂、更极端海况下的工程挑战。

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