Phase Jump Due to Partial Reflection of Irregular Water Waves at Steep Slopes

Büsching, Fritz

Eine im Verlauf des Wellenbrechvorganges landseitig entstehende Transmissionswelle mit der Phasengeschwindigkeit ct < ci erfordert aus Gründen der Impulserhaltung seeseitig die gleichzeitige Bildung einer Reflexionswelle mit örtlich negativer Wasserspiegelauslenkung. Die Überlagerung der anlaufenden mit der reflektierten Welle ergibt eine partielle Clapotis mit Phasensprung. Für die Untersuchung partiell stehender Wellen an steilen Uferböschungen im Modellmaßstab 1:5 wurde auf entsprechende Messungen eine spezielle spektrale Analysetechnik angewandt. Auf dieser Grundlage gewonnene frühere Ergebnisse zum Phänomen anomaler Dispersion und frequenzabhängiger Reflexion werden zusammengefasst und durch neue Auswertungen im Hinblick auf das Vorliegen von Phasensprüngen ergänzt: Die bauwerksnahsten imperfekten Knoten eines Kollektivs partiell stehender Wellen (Partialwellen) vor glatten Böschungen befinden sich in unmittelbarer Nähe des Schnittpunktes, den der Ruhewasserspiegel mit der Böschungsoberfläche bildet. Eine dementsprechende partielle Reflexion mit einem Phasensprung [Delta phi] ≈180° führt zur Definition negativer Reflexionskoeffizienten Cr = f(Hr/Hi, [Delta phi] ) < 0 mit der Folge, dass ein Wellenberg als Wellental reflektiert wird und umgekehrt. Strukturierte (raue) Oberflächen (wie Hohldeckwerke einerseits und großvolumige Hohlformkörper andererseits) bewirken Phasendifferenzen [Delta phi] <180° zwischen anlaufenden und reflektierten Wellen mit Reflexionskoeffizienten zwischen Cr < + 1,0 und Cr >-1,0. Minimale Beträge des Reflexionskoeffizienten Cr = f(Hr/Hi, [Delta phi] ) ergeben sich für die Phasendifferenzen [Delta phi] ≈90°.

A wave of transmission originating at the landward side of the initial breaking wave requires the simultaneous formation of a reflected wave at the seaward side. According to the conservation of momentum the water level deflection of the reflected wave must be negative. Superimposition of incident and reflected waves results in the formation of a partial standing wave (partial Clapotis) comprising of a phase jump. For the investigation of partial standing waves at steep sloping structures a special analyzing technique had been adopted. Previous results on the phenomenon of anomalous dispersion and on frequency dependent reflections are summarized and are supplemented by evaluations on the existence of phase jumps between incident and reflected waves: The nodes of superimposing partial Clapotis component waves nearest to a smooth structure are very close to the point of intersection (IP), where the still water level intersects the face of the structure. Such a partial reflection, assigned by a phase jump of [Delta phi] ≈ 180°, leads to the definition of a negative coefficient of reflection Cr = f(Hr/Hi, [Delta phi] ) < 0, implying the effect that a wave crest is reflected by a wave trough and vice versa. Structured (rough) surfaces (like hollow revetments or big hollow blocks) cause phase differences [Delta phi] <180° between incident and reflected waves together with reflection c oefficients ranging between Cr < +1,0 and Cr >-1,0. Minimal magnitudes of reflection coefficients Cr = f(Hr/Hi, [Delta phi] ) are found for phase differences [Delta phi] ≈90°.

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Büsching, Fritz: Phase Jump Due to Partial Reflection of Irregular Water Waves at Steep Slopes.

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