alternatives to sinusoidal waves ce a676 coastal...

11
Module 4 ‐Non‐linear wave theories 2/1/2016 CE A676 Coastal Engineering Orson P. Smith, PE, Ph.D., Instructor 1 Alternatives to sinusoidal waves CE A676 Coastal Engineering Stokes 2 nd ‐order finite amplitude solutions Cnoidal wave tables and applications Other waves theories References Sorenson, 2006. Basic Coastal Engineering (text), Springer Sorenson, 1993. Basic Wave Mechanics for Coastal and Ocean Engineers, Wiley Interscience Dean and Dalrymple, 1991. Water Wave Mechanics for Engineers and Scientists, World Scientific

Upload: dangkhuong

Post on 18-Jul-2018

227 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Module 4 ‐Non‐linear wave theories  2/1/2016

CE A676 Coastal EngineeringOrson P. Smith, PE, Ph.D., Instructor 1

Alternatives to sinusoidal waves

CE A676 Coastal Engineering

• Stokes 2nd‐order finite amplitude solutions• Cnoidal wave tables and applications• Other waves theories

• References– Sorenson, 2006. Basic Coastal Engineering (text), Springer

– Sorenson, 1993. Basic Wave Mechanics for Coastal and Ocean Engineers, Wiley Interscience

– Dean and Dalrymple, 1991. Water Wave Mechanics for Engineers and Scientists, World Scientific

Module 4 ‐Non‐linear wave theories  2/1/2016

CE A676 Coastal EngineeringOrson P. Smith, PE, Ph.D., Instructor 2

• All theories require simplifying assumptions and approximations

• H/L << 1: “small amplitude,” “linear” – leads to sinusoidal solution

– Also H/d < 1

• H/L is not necessarily so small → “finite amplitude” solutions

– H/d can approach 1

• Power series – perturbation approach 1. Consider a mean value,  ̅,  plus a departure 

(perturbation,  ) from the mean  ̅• Perturbation term,  , is proportional to H/L

2. Expand dependent variables as power series (for example):  ∅ ∅ ∅ ⋯

• Stokes first order terms – equivalent to sinusoidal 

• Second order terms – results in profile closer to nature• Readily programmed equations

• Refinements to particle kinematics useful for some situations

• Higher order – mainly research applications

Module 4 ‐Non‐linear wave theories  2/1/2016

CE A676 Coastal EngineeringOrson P. Smith, PE, Ph.D., Instructor 3

• Same governing equation:

• BBC (same): ∅

0 at z = ‐d

• Lateral BBC’s (same): periodic in x and in t• Free surface boundary conditions – non‐linear

– DFSBC:∅ ∅ ∅

• at  ,

– KFSBC:∅ ∅

at  ,

• Same Dispersion Relation of T, L, and C

– Same deepwater

• Celerity unaffected by wave steepness

• Higher‐order Stokes solutions: celerity increases with wave steepness

• Stokes considered inapplicable for  ⁄ 0.1

2

g k tanh k d( ) C

k

g

ktanh k d( )

g T

2 tanh

2 d

L

Lg T

2

2 tanh

2 d

L

Module 4 ‐Non‐linear wave theories  2/1/2016

CE A676 Coastal EngineeringOrson P. Smith, PE, Ph.D., Instructor 4

– Shorter, higher crests; longer, flatter troughs

– Unrealistic bumps in trough when steepness over

H

2cos k x t( )

H2

k

16

cosh k d( )

sinh k d( )3

2( cosh 2 k d( )[ ] cos 2 k x t( )[ ]

0 200 400 600 800 1 103

1

0.5

0

0.5

1

x

H

L

sinh k d( )3

cosh kd 2 cosh 2 k d( )( )[ ]

• First term same as sinusoidal

• Net “u” results in mass transport velocity 

uH

2

cosh k d z( )[ ]

sinh k d( ) cos k x t( )

3 H( )2

4 T L

cosh 2 k d z( )[ ]

sinh k d( )4

cos 2 k x t( )[ ]

wH

2

sinh k d z( )[ ]

sinh k d( ) sin k x t( )

3 H( )2

4 T L

sinh 2 k d z( )[ ]

sinh k d( )4

sin 2 k x t( )[ ]

unet

2H

2

2 T L

cosh 2 k d z( )[ ]

sinh k d( )2

Module 4 ‐Non‐linear wave theories  2/1/2016

CE A676 Coastal EngineeringOrson P. Smith, PE, Ph.D., Instructor 5

• Asymmetrical motion, as with u and w

• Asymmetry increases with wave steepness

axH

2

2

cosh k d z( )[ ]

sinh k d( ) sin k x t( )

3 3

H2

T2

L

cosh 2 k d z( )[ ]

sinh k d( )4

sin 2 k x t( )[ ]

azH

2

2

sinh k d z( )[ ]

sinh k d( ) cos k x t( )

3 3

H2

T2

L

sinh 2 k d z( )[ ]

sinh k d( )4

cos 2 k x t( )[ ]

• (last term) increases with time – Particle paths are not closed

H

2

cosh k d z( )[ ]

sinh k d( ) sin k x t( )

H2

8 L sinh k d( )2

1

3 cosh 2 k d z( )[ ]

2 sinh k d( )2

sin 2 k x t( )[ ]

H2

4 L

cosh 2 k d z( )[ ]

sinh k d( )2

t

H

2

sinh k d z( )[ ]

sinh k d( ) cos k x t( )

3 H2

16 L

sinh 2 k d z( )[ ]

sinh k d( )4

cos 2 k x t( )[ ]

Module 4 ‐Non‐linear wave theories  2/1/2016

CE A676 Coastal EngineeringOrson P. Smith, PE, Ph.D., Instructor 6

• Same as sinusoidal

E1

8 g H

2 average energy per unit surface area

Pn E

TE Cg n E C n

1

21

2 k d

sinh 2 k d( )

• Time‐average dynamic pressure is not zero

– as with sinusoidal wave theory

• Last term varies with “z”, only (not “t”)

p g z g H

2

cosh k d z( )[ ]

cosh k d( ) cos k x t( )

3 g H2

4 L sinh 2 k d( )

cosh 2 k d z( )[ ]

sinh k d( )2

1

3

cos 2 k x t( )[ ]

g H2

4 L sinh 2 k d( )

cos 2 k d z( )[ ] 1[ ]

Module 4 ‐Non‐linear wave theories  2/1/2016

CE A676 Coastal EngineeringOrson P. Smith, PE, Ph.D., Instructor 7

• Developed to improve shallow water predictions

– Stokes not best for  ⁄ 0.1

• Deepwater: equivalent to sinusoidal

– Can begin with 

• Shallow water limit: solitary wave

• Results apply Jacobian elliptical “cn” functions

• Has first and higher‐order solutions

– 1st‐order most commonly used

– Used throughout wave literature

– Compares wavelength, wave height, & depth

– Cnoidal theory best for  25– Stokes best for  10– Either okay for 10 25

Module 4 ‐Non‐linear wave theories  2/1/2016

CE A676 Coastal EngineeringOrson P. Smith, PE, Ph.D., Instructor 8

• Shoaling: find H, given Ho, T, d

• Example: Ho= 1 m, T = 14 sec, d = 4 m

– 1.56305.8 ; 

– d/Lo= 0.013; Cnoidal OK (< 0.1)

– Ho/Lo = 0.0033

• Table 3: H/Ho = 1.75; H = 1.8 m

• Example: T = 14 sec, H = 1.8 m, d = 4 m; find L & C

– 1.56 305.8– H/d = 0.45

– ⁄ 22

• Table 2: L/d = 24.7– L = 99 m

– C = L/T = 7.1 m/s

• Sinusoidal: – L = 86 m; C = 6.2 m/s

Module 4 ‐Non‐linear wave theories  2/1/2016

CE A676 Coastal EngineeringOrson P. Smith, PE, Ph.D., Instructor 9

• Cnoidal waves: period, T, is not constant with depth– For H = 1.8m, L = 99m, d = 4m,

– 275 (>25)

– A = 0.581

– 1

7.0 /

– 14.1

• Displacement all above SWL

• Water particles move in direction of propagation

• Infinite period and wave length

– → ∞– Limit of Cnoidal solution

• 10 20 40 60 80 100

0

0.5

1

1.5

2

Solitary wave: H = 2 m & d = 3 m at t = 7 sec

x (m)

prof

ile

(m)

C = 7.2 m/s

Module 4 ‐Non‐linear wave theories  2/1/2016

CE A676 Coastal EngineeringOrson P. Smith, PE, Ph.D., Instructor 10

• Developed to better accommodate digital computer analysis of higher‐order solutions

, ,2

sinhcosh

cos

• Solve 0with Stokes‐equivalent BC’s• Taylor series solution expansion evaluated by matrix computer routines

• Has been used to evaluate nearly breaking waves and extreme wave forms

• Each theory has limits

• Sinusoidal stretched in practice

• Graph widely published 

– Fig. 4.8 (Sorenson)

Module 4 ‐Non‐linear wave theories  2/1/2016

CE A676 Coastal EngineeringOrson P. Smith, PE, Ph.D., Instructor 11