三维波浪在岛礁地形上破碎特性试验研究

对三维波浪在岛礁地形上的传播特性进行了物理模型试验研究。为了探究三维波浪在岛礁地形上传播的破碎指标,将岛礁地形简化为1∶5的向海坡与水平礁坪相连的物理模型。对于不同波况下的规则波、不规则波、多向波在该地形上的破碎特性进行了研究。结果表明,在该地形条件下,较大入射波高的波浪均在礁坪上发生破碎,并且随着入射波高的增大,破碎位置向来浪方向移动,破碎指标与入射波陡H_0/L_0相关,斜向波浪传播受入射角度的影响。同时,文中也给出了在该地形下波浪的破碎指标,并将三维结果与二维结果进行了对比。     

深水随机波列中畸形波统计特征的研究

本文基于Longuet-Higgins随机波浪模型和JONSWAP谱,进行了大量深水随机波的模拟,获取了畸形波发生概率稳定的随机波列,并对随机波列中的畸形波进行了分析。结果表明,畸形波发生的概率小于基于Rayleigh分布预测结果,且随谱宽的减小而增大。在固定时间段内,畸形波发生的频次服从泊松分布,时间间隔服从指数分布,且随着谱宽的增大,畸形波的发生频次减小,相邻畸形波的发生时间间隔增加。通过小波变换方法分离随机波中的波群,研究了出现畸形波的波群特征,发现一个波群中最多会出现4个畸形波,但是在发生畸形波的波群中,单个畸形波的概率最大。随着谱宽减小,一个波群中包含多个畸形波的概率增加。另外,出现畸形波的波群时间长度服从广义极值分布,随着谱宽减小,畸形波波群的时间跨度增加。     

系泊方柱在畸形波与波群伴生波浪作用下运动响应试验研究

畸形波与波群伴生波浪作用于系泊浮体,和常规随机波浪作用比较,运动响应时频域特征均将发生显著变化。基于物理模型试验,采用小波方法计算伴生波浪和常规随机波浪作用下系泊浮体运动响应的时频域特征变化及波群因子与浮体运动响应时频域特征的定量关系。结果表明:伴生波浪作用下浮体运动响应显著大于常规随机波浪的作用结果,且波群因子G A对浮体运动响应时频域特征有显著影响;伴生波浪作用下浮体纵荡运动的广义能量谱E(t)统计特征值E max(t)、E 1/10(t)、E 1/3(t)、E average(t)均明显大于相同波谱下常规随机波浪的结果,且随着波群因子G A增大显著增大;伴生波浪作用下各运动响应能量集中度δE显著大于常规随机波浪作用结果,且能量集中时域分布范围参数ΔT E以纵荡运动分量最为显著。     

三维随机波浪对桩柱的作用

试验研究了三维随机波浪作用于垂直圆柱上的作用力.采用二维波浪的方法计算三维波浪力,研究了各波力系数随ＫＣ数和波浪方向分布的变化规律,并对三维波力和二维波力进行了对比分析.     

波浪水槽中随机波的模拟

根据线性系统理论,首先由给定的靶谱模拟海浪信号,再把此信号转换为造波控制输入信号,最后在水槽中指定的截面处产生具有给定靶谱的随机波。这种模拟方法已在青岛海洋大学物理海洋实验室的大型水槽中实现,并取得良好的效果。     

基于激波捕捉类Boussinesq模型对岛礁地形上波浪传播的数值模拟

为了探究激波捕捉类Boussinesq模型在模拟岛礁地形上规则波和不规则波传播的可行性,采用基于完全非线性Boussinesq方程并具有激波捕捉能力的数值模型Funwave-TVD对规则波和不规则波在岛礁地形上的传播进行了数值模拟,通过与试验数据对比,分析模型中空间步长的影响,验证模型在模拟波高、平均水位分布以及波谱空间演变的能力,结果表明:采用合适的空间步长,模型能较好地模拟规则波和不规则波在岛礁地形上的传播和演化过程。对于规则波,较小的空间步长可改善破碎点处波高峰值的预测,并能更好地预测波浪破碎后波高的空间分布,相比结合经验破碎的Boussinesq模型,Funwave-TVD能更好地模拟规则波在岛礁地形上的破碎,以及破碎以后行进涌波的再生成过程;对于不规则波,Funwave-TVD总体而言能较好地模拟涌浪有效波高、次重力波的生成及空间演化和平均水位,但会低估礁坪上次重力波波高,较粗的空间步长也会低估礁坪上涌浪有效波高。     

波浪在珊瑚礁地形上破碎特性试验研究

对波浪在珊瑚礁地形上的传播特性进行了物理试验研究,将珊瑚礁地形简化为坡度为1∶5的陡坡(向海坡)加较长水平礁坪段的地形,对规则波和不规则波在该地形条件下的波浪破碎及波高沿程衰减进行了研究。结果表明,波高较小时,波浪破碎发生在礁坪上,但随着入射波高的增大,破碎位置逐渐向来浪方向移动,直至在向海坡段破碎。对于在礁坪上破碎的波浪,相对水深db/L0一定的条件下,破碎波高与入射波陡H0/L0相关,且变化趋势受相对水深db/L0的影响。同时给出了该地形条件下波浪破碎指标以及礁坪段破碎后沿程波高的计算公式。     

畸形波作用下半潜式平台波浪爬升与气隙响应特性

半潜平台的波浪爬升与气隙响应是设计过程中的重要考量因素。为探究随机波浪场中畸形波对半潜平台波浪爬升及气隙响应的影响,将含畸形波的随机波浪试验与一般随机波浪试验结果进行了对比研究分析。对模型试验测得的运动以及监测点处的波浪爬升及气隙进行频谱分析以及极值统计分析。研究发现,纵荡和纵摇的极大值主要受畸形波的影响而显著增大,纵荡、垂荡以及纵摇响应谱几乎不受单个畸形波影响;波浪爬升与气隙的极大值受到畸形波的影响而增大,同时,畸形波对气隙响应谱造成极大影响,增强了波浪爬升与气隙响应的非线性性。     

船载三维激光扫描海岸岛礁地形测量技术体系构建

海岸岛礁地形测量作业主要采用实时动态差分定位系统(real time kinematic,RTK)和全站仪相结合的测量作业模式,但在陡峭的悬崖地区、大面积的滩涂、沼泽,以及困难地区岛礁等,很难通过RTK作业方式实施登岛/登点测量,难以满足海岸岛礁应急作业的需求。开展了船载三维激光扫描地形测量关键技术研究,通过系列专业软件开发、技术试验、规程编制和生产作业等技术途径,构建了船载三维激光扫描地形测量技术体系,将大大减轻海岸岛礁地形测绘的劳动强度,加快数据更新和产品保障周期。     

岛礁地形上斜坡堤前破碎波流场数值模拟研究

基于SPH方法建立波浪数值水槽,对岛礁地形上的波浪传播变形进行了数值模拟,分析了岛礁地形上波浪破碎过程的波高和水质点波动流速分布,并采用波浪水槽物理模型试验数据进行对比验证。结果表明,该模型可以较准确地模拟岛礁地形上波浪破碎引起的波高和波动流场沿程变化。在此基础上模拟了礁坪上建设斜坡堤后的波动流场,分析了斜坡堤对礁坪上流场形态、沿程波高、波动流速垂向分布及近底流速的影响。结果表明：在建设斜坡堤后,礁坪上波浪破碎更加猛烈,波浪破碎点前移;沿程波高与波动流速受反射波影响明显,沿程波高变化呈现为先增大、再减小、再增大,最后在防波堤堤脚处减小,近底流速变化趋势则与之相反;在堤前半倍波长范围内反向近底流速峰值较非岛礁地形上规范公式计算值增幅较大。     

Observations of freak waves in random wave field in 2D experimental wave flume

Long time series of wave field are experimentally simulated by JONSWAP spectra with random phases in a 2D wave flume. Statistic properties of wave surface, such as significant wave height, skewness and kurtosis, are analyzed, and the freak wave occurrence probability and its relations with Benjamin-Feir index （BFI） are also investigated. The results show that the skewness and the kurtosis are significantly dependent on the wave steepness, and the kurtosis increases along the flume when BFI is large. The freak waves are observed in random wave groups. They occur more frequently than expected, especially for the wave groups with large BFI.     

畸形波作用下双层水平板防波堤压力分布特性研究

基于物理模型试验,考虑畸形波参数、相对板宽、相对波高等影响因素,就畸形波对平顶双层水平板防波堤作用进行研究。首先对畸形波作用下双层水平板的波浪力分布特征进行了讨论,然后就最大波动压强、结构最大总垂向力与不规则波作用进行了对比分析。结果表明,畸形波作用下,双层水平板最大波动压力出现在前端迎浪区域附近,向尾端逐渐递减。双层水平板4个受力面的压力分布不同且有相位差,4个受力面的最大波动压力时间差约在0.1T_p~0.4T_p范围内变化。与不规则波作用比较,畸形波作用没有显著改变波压包络分布特征,但增大了波压包络强度值。试验范围内,就最大总力而言,两者最大总浮托力比值在1.06~2.45间变化;向下的最大总垂向力比值在1.22~2.07之间变化;就波动压力而言,其增大的幅度与畸形波参数α₁相关性最强,随α₁的增大而增大,在α₁=2.04~3.1试验范围内,畸形波作用时的最大压强比不规则波作用时可约增大20%~80%。就最大波吸力而言,两者的比值与畸形波参数α₄相关性最强,随α₄的增大而减小。在α₄=0.62~0.75试验范围内,最大波吸力强度的比值在1.61~0.87范围内变化。当α₄≤0.72时,畸形波作用时的最大波吸力大于不规则波作用时的最大波吸力;当α₄ > 0.72时则刚好相反。     

畸形波作用下四立柱张力腿平台动力响应研究

介绍了畸形波生成的方法并对各种线性合成畸形波的效率进行了对比。选用改进的随机波加瞬态波的方法模拟强非线性波———"新年波"的波形。采用微元法对张力腿平台的立柱和浮筒进行离散,编制程序对张力腿平台在强非线性波作用下的耦合动力响应进行了数值模拟,重点比较分析了张力腿平台在随机波及畸形波中所受波浪力、平台动力响应、系泊系统张力特性及浪向角对平台运动的影响。研究表明:在"新年波"作用下,0°浪向时,平台在x和z方向所受波浪力较随机波增长了约1/4,纵荡、垂荡及纵摇响应值分别增加了33%,38%和12%,张力腿张力幅值增加约20%,位于平台四角的张力腿张力有所差异,相邻两根张力腿的张力差别不大,浪向角对平台运动响应、张力腿张力的影响畸形波大于随机波的作用。为今后考虑强非线性波浪影响时张力腿平台的设计提供了借鉴和参考。     

畸形波生成条件预报方法研究进展

近年海上事故调查结果表明很多海难事件都与畸形波袭击有关.随着我国经济进步,海上经济和军事活动越来越频繁,畸形波对上述海事活动具有严重威胁并可能造成重大人员和财产损失.现有的数值或经验海浪预报方法不能有效地预报这种灾害性海浪,亟需开发一种可靠的畸形波预报方法,这是海浪研究中面临的新课题.本文将对畸形波的实验和理论研究现状...     

利用波浪频谱数值模拟畸形波的方法探究

畸形波是一种特殊的波浪,它的波高极高,波峰尖瘦,能量很集中[1].图1是一个比较典型的畸形波[1],这个波列的有效波高是5.65 m,而其中的畸形波波高是有效波高的3.19倍,达到了18.04 m,波峰的高度是13.90 m,波的周期是9.8 s,畸形程度很大.最有名的畸形波是图2给出的1995-01-01-15:20在北海Draupner石油平台记录的波高25.6m的“新年波”,1 200 s长的观测记录显示当时的有效波高是11.92 m,波峰的高度达到18.4 m.由水深70 m,畸形波的特征周期12 s,根据线性色散关系得出波长为220 m.     

An efficient focusing model for generation of freak waves

Based on the Longuet-Higgins wave model theory, the previews studies have shown that freak waves can be generated in finite space and time successfully. However, as to generating high nonlinear freak waves, the simulation results will be unrealistic. Therefore, a modified phase modulation method for simulating high nonlinear freak waves was developed. The surface elevations of some wave components at certain time and place are positive by modulating the corresponding random initial phases, then the total surface elevation at the focused point is enhanced and furthermore a freak wave event is generated. The new method can not only make the freak wave occur at certain time and place, but also make the simulated wave surface time series satisfy statistical properties of the realistic sea state and keep identical with the target wave spectrum. This numerical approach is of good precision and high efficiency by the comparisons of the simulated freak waves and the recorded freak waves.     

A study on kinematics characteristics of freak wave

Based on the 3rd-order Stokes wave theory, the speed of freak waves is formulated in terms of the period and the wave height. Finite modified wave steepness gives rise to a significant enhancement of the nonlinear contributions to the freak wave speed in comparison with the 3rd-order Stokes wave theory. For a fix modified wave steepness, the estimated amplification of the nonlinear contributions due to the deviation from the 3rd-order Stokes wave theory is 0.22～0.99. In addition, the velocity and acceleration fields are also documented in detail. In the present simulation, the horizontal velocities are smaller than the wave speed, and the freak wave exhibits a maximal horizontal velocity up to 37% of the wave speed and a maximal vertical acceleration up to about 20% of the gravitational acceleration.     

畸形波作用下锚泊方柱系泊张力特性研究

基于物理模型试验,探究畸形波和不规则波作用下浮体系泊张力差异问题。讨论相对波高、相对周期和畸形波参数α₁对系泊张力的影响。结果显示：畸形波参数α₁和浮体系泊张力显著相关。在α₁=2.0～2.83范围内,畸形波作用下迎浪侧系泊张力最大值可达不规则波作用的1.9倍。在相对波高H_s/d=0.032～0.097范围内,畸形波作用下迎浪侧系泊张力最大值显著大于不规则波的作用结果,但畸形波和不规则波对应的1/3值及平均值几乎一致。就相对周期影响而言,迎浪侧系泊张力最大差别出现在谱峰周期T_p<T_0p范围内。频域方面采用小波分析方法讨论畸形波和不规则波作用下浮体系泊张力时频谱特征,两种波浪作用下系泊张力时频特征有显著差别。     

An experimental and numerical study of the freak wave speed

The propagation speed is one of the most important characteristics for describing freak waves. The research of freak wave speed is not only helpful for understanding the generation mechanism and evolution process of freak waves, but also applicable to the prediction. A stable and accurate method is proposed for the calculation of the freak wave speed, in which physical model tests are carried out to measure the motion of the largest wave crest along the wave tank. The linear regression relationship between the spatial position of the largest wave crest and instantaneous moment is established to calculate the speed of totally 248 cases of experimental freak waves and 312 supplementary cases of numerical freak waves. Based on the calculate results, a semitheoretical and semiempirical formula is proposed by using a regression analysis method to predict the speed of the freak wave, and the nonlinear characteristic of the freak wave speed is also investigated.