短峰畸形波生成、演化过程的外部特征研究

在实际海况中,由于波浪组分方向不同,使海浪常表现为三维短峰波,与二维长峰波相比,有诸多异同特征。为了研究三维畸形波生成和演化过程中异常大波的外部特征以及大波间的关联,本文采用色散和方向聚焦方法在物理水池中模拟了短峰畸形波的整个生成和演化过程。研究结果表明,生成和演化过程中出现的异常大波沿着方向分布函数峰值方向演化,具有一定程度“对称”特征;根据异常大波的特征参数可将该过程分成3～4个典型的阶段,这意味着可以根据异常大波的特征参数判断其所处阶段及预测其演化趋势;三维畸形波生成和演化过程可能会跳过“波群”或者“深谷”阶段,与二维畸形波相比,时-空范围较小,这意味着在三维波浪场中,与畸形波相关的深谷和波群的发生概率较低。     

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.     

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.     

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。     

连云港的波群统计分析

一、前言连云港是我国重点建设港口之一,为了扩建港口的需要,曾在34°52′48″N、119°42′24″E处投放了“波浪骑士”测波仪。进行波要素的连续观测。我们在整理观测资料过程中,发现波浪记录中有明显的波群现象,即在波列中高度较大的波浪连续几个成群地出现。通常把海面上的不规则波看成是随机过程,并不考虑变量出现的先后次序。也就是     

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。     

台阶型海脊俘获波的实验研究

基于物理模型实验研究瞬态冲击波在台阶地形上传播过程,揭示由于反射而在海脊上出现的波浪俘获现象。结果表明:在瞬态波产生区域附近,海脊上所测到的先导波即为最大波,其由泄漏至海脊外的深水波绕射至海脊所致。随着传播距离的增加,由于频散效应的影响,先导波逐渐减小,沿台阶近似直线传播的海脊俘获波和在台阶上曲折传播的海脊俘获波逐渐显现。在距离波浪产生较远区域所测的最大波晚于先导波出现,且这些由俘获波所叠加而成的最大波随着传播距离的增加而呈现出更加复杂的波面过程。     

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。     

深水极端波浪非线性几何特征试验分析

为了解极端波浪非线性特征,明确波群在演化过程中的水动力学特性,针对一系列高斯波群进行了深水物理试验分析。试验结果显示,增加波陡或波群宽度,均可使波面偏度Sk发生明显变化,尤其当波浪发生破碎后,在破碎区域内,波面偏度变化范围剧烈增大,说明该偏度极大值可能作为判断破碎的一个指标。波陡和波群宽度对波面不对称度影响程度不同:当波陡或波群宽度增加后,波峰不对称度所受影响最大,波峰前端波谷不对称度次之,波峰后端波谷不对称度所受影响最小,但仍不可忽略。在波浪演化过程中,幅值谱出现不同程度频带下移,波浪破碎后,会出现永久频带下移;当调制不稳定发生时,随着调制不稳定指数增加,频带下移量呈现快速增长趋势。     

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%。     

基于非线性模型的畸形波模拟及其时频能量谱研究

采用VOF(volume offluid)方法实现了畸形波的数值模拟.将数值结果与线性理论(方程(5))计算结果进行了对比,发现数值模拟结果更能够反映非线性特征.使用小波分析方法研究了畸形波的时频能量谱,发现形成畸形波的过程中存在很强的波浪非线性相互作用,使得波浪的能量向高频端转化.变水深地形可以加强波浪的非线性相互作用.使得转化到高频端的能量更多,产生畸形程度更大的畸形波.     

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。     

交错网格下的Boussinesq水波数值模型

针对一组近似到二阶完全非线性,四阶色散的Boussinesq方程,在交错网格下建立了数学模型.计算中时间层不交错,模型的求解利用混合四阶Adams-Bashforth-Moulton格式的有限差分法.数值模拟了波浪在潜堤上的演化过程,再现了波浪的浅化、反射以及非线性波能量传递等现象.对数值计算结果采用Friouer变换...     

消除"不规则频率"的非连续高阶元方法

针对使用边界元法计算波浪与结构物相互作用时所出现的“不规则频率”现象，采用连续高阶元和部分非连续高阶元对通过修改积分区域所获得的边界积分方程进行离散，有效地消除了“不规则频率”现象的发生。波浪作用下的截断圆柱所受到的水平波浪力和垂向波浪力的数值计算结果验证了该方法的有效性，同时考虑了非连续单元配置点的选择及单元划分数目对消除效果的影响。     

破碎波冲击直立桩柱的大比尺试验研究

波浪破碎是海洋中最常见的现象之一,其能够对海洋中的结构物产生巨大的波浪力作用。本文在大比尺波浪水槽通过聚焦波的方法生成了极端波浪和不同破碎阶段的破碎波浪,并对其冲击桩柱过程中的点压力进行了测量,进而采用连续小波变换的方法,对桩柱上点压力的分布及大小进行了细致分析。结果表明,多次重复试验下,相比非破碎极端波浪,破碎极端波浪产生的点压力离散性更强;波浪破碎程度越大,测点位置越靠近波峰,则点压力离散程度越大;破碎波的最大点压力出现在1.2倍的最大波面附近,且其大小可达3倍的最大静水压力;基于点压力小波谱,不同破碎阶段破碎波产生冲击作用不同,对于波浪作用桩柱前波浪已经发生破碎的情况,其冲击区域更大,点压力分布更复杂;而对于桩面破碎的情况,其造成的波浪总力更大。     

鼓式离心机中的线性规则波浪离心模型试验

波浪诱发砂质海床液化导致的海洋工程事故屡屡发生,开展有效防治液化的工程措施是海洋工程建设的关键所在.受模型比尺限制,在1 g模型水槽内难以生成诱发海床液化的波浪条件,采用了大连理工大学最新建设的、国内唯一的大型土工鼓式离心机GT450/1.4开展了生成线性规则波浪的离心模型试验研究工作.其中自主开发了基于200W直流伺服电机驱动装置的机械造波系统,结合鼓式模型槽长度较大的技术优势,设置了斜坡式多孔钢板构成的消波装置.整套造波系统可以生成不同浪高和频率的线性推进波,试验中通过微型孔隙水压力传感器和自制的浪高仪量测波压力和波高,并通过波浪理论验证了所生成波浪的有效性.与以往离心机中的造波装置相比,本套系统的优势在于能够在较大尺寸的环形波浪槽中生成更强烈度的波浪,为今后波浪诱发海床液化的研究提供了技术保障.     

斜向和多向不规则波在斜坡堤上的平均越浪量的试验研究

通过三维物理模型试验研究了在斜坡堤上斜向和多向不规则波在非破碎条件下的平均越浪量与波浪参数及堤参数的关系.着重考察了波浪以小角度(0°~30°)斜向入射时平均越浪量的变化情况,肯定了多向波的越浪量在这一范围内有所谓“小角度斜向增加”的现象,但否定了单向波也具有这一现象.在考察波浪的方向分布影响时发现波浪斜向入射时多向波的越浪量往往要比单向波的大.比较了已有的相关研究成果,给出了适用于混凝土护面和扭工字块体护面斜坡堤上斜向和多向不规则波的平均越浪量的估算公式.     

基于HUST-Ship的船舶耐波性数值试验水池参数化建模方法研究

基于自研的HUST-Ship黏性流CFD求解器,提出了一种船舶耐波性数值试验水池参数化建模方法和网格生成技术。在自研的CFD软件平台中,根据波浪参数(规则波的波长、波高和不规则波的特征周期、有效波高)自动生成船舶耐波性数值试验水池。以结构化重叠网格技术为基础,分别对船舶与水池进行网格划分并进行网格的组装、重叠,实现船舶在耐波性数值试验水池中的数值“试验”,对船舶耐波性进行数值预报。根据波浪种类分为规则波数值试验水池与不规则波数值试验水池,可对各类波浪条件实现精确可靠的数值造波,模拟船舶在各种波浪环境中运动响应、耐波性事件与非线性运动特性。采用参数化建模方法生成的耐波性数值试验水池能够提高建模和网格生成效率,通过对国际标模进行数值预报并与船模试验结果对比,验证了参数化建模方法生成的耐波性数值试验水池对船舶在波浪中运动性能的计算精度。     

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。