畸形波生成、演化过程研究——波面时间过程随位置的变化

基于完全非线性波浪数值模型,模拟实测畸形波的生成、演化过程,进而分析波面时间过程和畸形波参数的变化规律.研究结果表明:在畸形波形成前、后均可能出现连续的大波和“深谷”现象.在畸形波生成、演化过程中出现的“深谷”和畸形波具有伴生性而非独立异常波浪现象.上述大波、“深谷”和畸形波的连续作用对海洋结构物和船舶造成的潜在威胁可...     

畸形波生成、演化过程时频能量结构研究

基于流体体积(VOF)方法建立完全非线性波浪数值模型,控制方程采用雷诺时均方程和k-ε方程,使用该模型模拟了畸形波的生成、演化过程.在此基础上,使用小波分析法重点研究了畸形波生成、演化过程中波浪序列的时频能量结构.研究结果表明,畸形波生成前、后出现的过渡大波虽然不满足畸形波定义的所有指标,但其能量瞬时集中程度仍然很高,包含大量高频能量,内部结构和畸形波完全类似,应该引起重视.     

海洋工程试验中多单元造波机波浪模拟方法

由若干独立摇板组成的多单元造波机已经成为实验室研究波浪及其与海洋工程结构物相互作用的重要设备.介绍海洋深水池双边多单元造波机及其模拟波浪的方法,通过物理试验对所模拟的长峰规则波、不规则波和三维短峰波进行初步的试验研究.模拟波浪的时域和频域分析结果表明利用双边多单元造波机能够生成良好的长峰波浪和三维短峰波浪,所模拟的波浪能够满足海洋工程试验的要求.     

畸形波传播速度实验和数值模拟研究

畸形波的传播速度是其最重要的特征参数之一。研究畸形波的传播速度有助于深入和全面了解畸形波的生成机理及其演化过程,另外还可以用于畸形波的预报。针对现有关于畸形波传播速度计算方法(高阶Stokes波理论近似估算,Hilbert变换和两固定点的距离除以畸形波的波峰经过两点所用时间)的不准确性和局限性,使用32个测点描述畸形波波峰沿波浪水槽的运动轨迹,再用回归分析法估算波峰运动轨迹与时间的相关关系,从而计算出畸形波的传播速度。基于288组物理模拟畸形波和364组数值模拟畸形波传播速度的计算结果,使用回归分析方法得出了畸形波传播速度的半经验半理论计算公式,同时还分析了畸形波传播速度的强非线性特征。     

分段式造波机生成波浪内外部结构的一致性分析

用60个波高仪组成2m×2m的方阵,同步测量波面过程,用Doppler声学流速仪获得了二维正向和斜向规则波、二维正向和斜向随机波以及三维随机波浪场中不同水深处的同步Euler水质点速度各方向分量的高精度的时间过程资料.以此为出发点,讨论了分段式造波机生成波浪的周期分布特征,发现三维随机波浪周期分布的μ值与二维随机波浪比较有明显增大的趋势.分别从速度合矢量方向与波向的吻合程度(对二维波浪)、"多点波面"组合与"波面-水质点速度"组合两种方式得到方向谱的吻合程度(对三维随机波浪)等不同角度,论证了分段式造波机产生的波浪的内外部结构的一致性.     

挪威海畸形波波形特征研究

畸形波波形与其所处海况特征密切相关。在线性、窄谱假定下,最可能出现的畸形波波形服从“新波”理论,即最大波位于波群中间且其前后相邻波浪对称。然而,实际海浪谱通常是包含多种频率成分的宽谱。目前对实测畸形波及其附近波面形态特征仍缺乏系统认知,对其影响因素尚不明确。本文基于挪威海气象观测站共112个畸形波序列,分析实测畸形波波形及影响因素。研究表明,只有52%的畸形波在波群中间,其余畸形波在波群前侧的概率更高。此外,畸形波前后相邻波浪并不完全对称,其中位于后侧的波幅普遍更大。通过定量分析实测畸形波的平均波形与“新波”理论结果,发现谱宽是影响畸形波波形的关键参数。随谱宽增加,畸形波的平均波形与“新波”理论得到的波面序列误差呈指数增加。     

高阶谱方法建立三维畸形波聚焦模拟模型

三维波浪方向聚焦是畸形波形成机理之一.为了模拟和分析这一现象,在势流理论内基于改进的高阶谱(HOS)方法,给出了时空聚焦方式生成畸形波的三维波浪模型.利用满足周期性边界条件的具有不同频率、不同传播方向的各独立组成波,分隔了计算域内的能量;使各组成波采用等振幅能量分布的形式,聚焦模拟了实验尺度畸形波;把高阶谱方法拓展到大尺度的开敞海域,考虑波浪方向分布的影响,聚焦模拟了大尺度畸形波的发展和形成过程.     

有限水深下独立波群的能量变化试验研究

为了研究独立高斯型波群在中等水深条件下的非线性演化情况,进行了多种波况的物理试验,重点分析了波浪各要素对波群非线性演化的影响。试验结果表明,波陡在波群演化中占主导作用,其次是波群的谱宽,前者引起的非线性主要体现在高阶谐波的能量变化而后者引起的非线性主要体现在自由波能量的变化。频带下移现象只在大波陡情况下才会发生,随着波陡的增加,频带下移发生的相对更早,随着波群的谱变窄,频带下移相对越明显。波陡的增加会使得波群更早的开始分裂。大波陡的波群在演化中会发生破碎,破碎的类型以崩破为主,并且崩破是间歇发生的,连续崩破发生的距离约为1.0～1.5倍波长。此外,破碎引起的能量损耗主要来源于主频和高频成分波,耗散率约10%～18%,平均每个崩破能耗约为初始能量的2%。     

双边多单元造波机造波性能分析

由若干独立摇板组成的多单元造波机是实验室研究波浪及其与海洋工程结构物相互作用的重要设备。由于单元摇板宽度和波浪周期对斜向波浪模拟方向角的限制、斜向波浪模拟引起的杂波和三维短峰波浪模拟的有效实验区范围等,是影响多单元造波机波浪模拟质量的关键问题。通过对海洋深水池双边多单元造波机性能的分析,获得了波向角与规则波浪周期的关系,避免杂波产生的波浪周期范围和三维短峰波浪有效实验区的范围。分析结果对于海洋深水池高质量模拟波浪并为海洋工程结构物模型试验提供良好的波浪环境条件具有重要意义。     

不同破碎波气液混合区发展特征及其运动特性研究

了解波浪破碎速度场的分布特性对于波浪破碎物理机制的研究极为重要,同时,对比研究不同类型破碎产生的气液混合区的演化特征有利于波浪白冠覆盖率模型的完善。在实验室水槽,生成了深水临界波、单次崩破波和单次卷破波,采用图像测速技术获取了波浪破碎图像、波面下水体和气液混合区速度场。结果表明,崩破波的水平向速度u和垂直向速度v在波峰前和波峰后的分布极为不对称,其水平向最大速度umax并不位于峰顶,而是在主导波峰前0.7$\eta_{\max} $处;卷破波的umax出现在波峰峰顶前端极小的区域内,且该区域与周围区域的速度梯度极大。崩破波和卷破波生成的气液混合区发展特征也存在差异：崩破波的umax值大、影响区域长、混合区厚度较小、各区域影响时间短;而卷破波的各项特征参数与崩破波形成对比。     

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。     

调制Stokes波列长期演化过程中的熵值分析

深水Stokes波列的不稳定调制演化与实际海面的瞬变性、波浪破碎、畸形波等海洋现象密切相关,且波列在长期演化的过程中,演化特性会随着时间尺度的增加而改变,前人的研究多是针对其空间分布特性,对于波列内部能量的分布和变化趋势尚不清楚,因此引入熵的概念用于描述调制Stokes波列长期演化过程中任意时刻波浪场中不同频率波浪能量分布的均匀性。通过高阶谱方法数值模型,模拟了不同初始波陡条件下调制Stokes波列波数谱熵值的长期演化,给出不同阶段初始波陡和熵的关系,并将稳定状态熵值及谱形与典型海浪谱进行对比分析,发现调制Stokes波列长期演化的波数谱熵值和谱形均趋向实测JONSWAP谱,表明其经过长期演化发展,谱变宽变连续,波场内的能量分布趋向均匀并保持动态的平衡,同时也更加趋近于真实海浪。     

波群内单个波的波陡分布与波破碎

对波群内单个波的波陡分布和波破碎进行了实验研究。研究结果是,波群中波动的最大振幅出现在波群前部而不是出现在波群中央,这种不对称性导致波群前部单个波出现大波陡的概率大于后部单个波出现大波陡的概率;进一步的波破碎统计发现波群前部单个波破碎的频率是后部单个波破碎频率的4倍。因此认为,波群结构的不对称性能够导致单个波发生破碎的...     

斜向不规则波对直墙作用的实验研究

通过长峰不规则波和方向波谱对直墙作用的实验研究 ,分别给出了每延米斜向不规则波波浪力与正向力之比 ,方向波谱波浪力与斜向长峰不规则波波浪力之间的关系 ,通过与规则波实验结果的比较给出了斜向规则波与不规则波波浪力之间的相对关系 ;并对斜向不规则波的反射系数与正向波时的变化作出了分析     

可控深水破碎波的实验室生成方法研究

实验室一般采用波浪聚焦方法生成深水破碎波,通过各组分波浪的波幅叠加生成一个波高显著增大的大波,使其波陡超过极限波陡发生破碎。利用该方法生成深水破碎波浪的破碎次数通常并不唯一,导致波浪破碎后的流场特征不明显;造波参数不易于选取导致研究工况的设置难度大,直接影响深水破碎精细化实验的效果和效率。本文采用聚焦波理论计算波面,并利用上跨零点法定义的波高和波长计算理论波陡,结合物理模型实验统计波浪沿程破碎次数与剧烈程度,研究以JONSWAP谱为造波输入谱型时,聚焦波幅、谱峰频率、频宽等造波输入参数对于波浪破碎情况的影响,从而建立深水波浪破碎次数与造波输入参数之间的近似定量关系,为实验造波参数的选取提供参考,提高实验效率。     

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。     

基于小波变换的畸形波海况时频分析研究

在随机海浪条件下,基于修正的四阶非线性薛定谔方程(m NLS)能够有效地模拟畸形波的非线性演化,文中利用小波变换对演化过程进行分析,并对时频谱特征参数(能量集中区域在时域和频域的分布范围)以及能量集中度进行了定量描述,结果表明,当畸形波出现时,能量可以由低频向高频扩散且能量集中度相对较大。     

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.     

工程海域波浪特征分析方法比较

通过选取两个典型海外工程项目案例,分别采用波浪特征参数法和波浪谱法对工程海域波浪条件进行分析,并比较这两种方法在作业波浪条件、波浪特征认知程度上的差异,以及对海港水域平面布置产生的影响。对于波浪能量在频域及方向上存在多峰谱情况的海域,基于全谱的波浪特征参数系列数据有可能出现以下两种情况:1)主峰波向掩盖次峰波向;2)主峰波向错配次峰周期。对于上述两种情况,若仅采用波浪特征参数法对工程海域作业波浪条件进行分析,并指导海港水域平面布置,则极可能忽略或误判个别敏感波向、关键频域段的部分波浪能量,从而误导设计,为后续项目运营埋下隐患。对于以上情形,宜采用波浪谱法深入分析工程海域波浪能量在整个频域及各个方向上的详细分布及构成,并对关键波向、关键频域段的波浪能量进行量化,评估其对海港水域平面布置的影响,从而最大程度地避免由于波浪输入条件误判带来的风险。     

极限波浪作用下半潜平台运动响应时域数值模拟

针对一座工作水深为500 m的半潜式海洋平台,运用时域耦合分析方法,计算其在极限波浪作用下的运动响应。通过比较平台在两种不同形式极限波浪(即畸形波和"三姐妹"波)作用下的运动响应,分析两种不同形式的极限波浪对平台运动的影响。同时通过分析畸形波的参数对平台运动幅值的影响,确定平台运动响应对畸形波参数的敏感性。分析结果表明:极限波浪在聚焦点处波高最大,当平台恰好位于聚焦点时,对平台来说最危险;畸形波的波峰值是影响平台运动的最主要参数,在平台初期设计中要考虑工作海域中极限波浪可能达到的最大值;在波峰值相同的条件下,平台运动的最大值随着畸形波的谱峰周期和有义波高的增加而增加。