实测畸形波的数值重构及机理分析

为研究畸形波的生成机理,本文基于非静压模型,利用时间反转法重构2个现场测量的畸形波、新年波和Yura波,并与实测数据对比验证。通过小波分析和谐波分析方法探究其生成机理,结果表明:畸形波在传播过程中,其小波能谱的能量存在明显的聚焦-焦散变化;新年波中高阶谐波的作用最高占比为47.1%;Yura波中最高占比为30.7%;新年波和Yura波在演化过程中振幅谱存在明显变宽现象,说明新年波和Yura波是在色散聚焦、高阶谐波以及三阶共振的联合作用下形成的。在实际海况下,畸形波生成机制可能并不单一。

预报发生在双峰交叉海况下的畸形波

本文首次提出一个新颖的转换线性模拟法用于预报发生在双峰交叉海况下的波峰幅值分布和畸形波。为执行所提出的转换线性模拟法,建立了一个表达为单调指数函数的转化模型,以便原始真实过程的前三阶矩与转化后模型对应的各阶矩相一致。应用所提出的新颖模拟法预报了发生在两个双峰交叉海况下的畸形波,一个带基于由良港海岸测得的表面高程数据的方向谱,另一个带典型的双峰Ochi-Hubble方向波浪谱。结果显示:在这两种情况下所提出的新颖的转换线性模拟法比传统的线性模拟法或用其它理论(或经验)模型能提供更精确的预报结果;所提出的新颖的转换线性模拟法比非线性模拟法效率更高。

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。

三维畸形波生成、演化过程的试验研究

畸形波是一种具有能量集中、强非线性和宽谱等特征的波浪,会对船舶和海上工程结构和设备造成严重的危害,在其发生前后还可能伴随深谷和连续大波(波群)等灾难性异常波浪现象。因此除了畸形波外,与其相关的异常波浪也非常值得关注。在真实的海况中,波浪常具有多向或短峰等三维特征,其动力学特征与二维波浪有显著差异。本研究采用聚焦不同频率和方向组成波的方法,在试验水池中模拟三维畸形波的生成、演化过程,根据试验结果,分析三维畸形波生成、演化过程中出现的异常大波的演化特征以及异常大波间的关系。研究结果表明:三维畸形波生成、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,即可根据异常大波的特征参数预测其演化趋势;与二维畸形波相比,三维畸形波生成、演化过程的时空范围较小,可能会跳过“大波群”或者“深谷”阶段,表明在真实的三维随机波浪场中,与畸形波相关联的深谷和大波群的发生概率会降低。

基于实测资料的畸形波概率及波浪要素分析

根据Kjeldsen对畸形波的定义:波高大于有效波高的2倍(H/H_(1/3)>2),基于实测波浪资料,统计分析了江苏射阳海域和广东南澳海域的畸形波个数和波浪要素。江苏射阳海域畸形波发生概率为0.005 7%,广东南澳海域畸形波发生概率为0.007%。用Rayleigh分布、双参数Weibull分布和MER分布对实测数据得到的特征波高进行了拟合,研究了海域内畸形波发生的概率分布。拟合结果表明:MER分布更适合描述两个海域畸形波的发生概率,两个海域畸形波的发生概率均高于Rayleigh分布和Weibull分布。在测量数据期间,台风在海域过境可能增加畸形波的发生概率;同时两个海域的双峰谱占比为22.7%和5.8%,可能也是导致畸形波发生概率增加的原因之一。

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。

哑铃型桥梁结构畸形波浪力水槽试验及简化算法

为研究畸形波浪参数对新型哑铃型桥梁结构波浪力的影响,开展一系列波流水槽模型试验.首先,分析谱峰频率、频率范围及聚焦位置对哑铃型桥梁结构周围的波面时程图及波峰的影响;其次,阐明上述波浪参数对结构畸形波浪力时程图及波浪力峰值的影响规律;最后,基于经典绕射理论,提出适用于新型哑铃型桥梁结构畸形波浪力谱的简化计算方法.研究结果表明:谱峰频率、聚焦位置及频率范围对结构周围的波面位移影响均较小,差异均小于3%.谱峰频率和聚焦位置对哑铃型桥梁结构畸形波浪力有较大影响,当谱峰频率从0.6 Hz增加到1.1 Hz时,顺波向波浪力呈先增后减的变化趋势,变化幅度最高达11.0%,垂向浮托力则下降了57.0%;当频率范围从0.5 Hz增加到0.8 Hz时,顺波向波浪力下降了2.1%,垂向浮托力增大了5.9%;当聚焦位置从结构物的迎浪侧移动到背浪侧时,引起的结构顺波向波浪力变化幅度小于5%,垂向浮托力变化幅度小于3%.经过试验数据和理论分析结果的对比表明,基于绕射理论提出的简化算法可有效计算畸形波作用下哑铃型桥梁结构的波浪力谱模型.

畸形波作用下FPSO甲板上浪研究

甲板上浪及其砰击荷载是船舶设计的关键因素之一,为研究波浪荷载作用下船体甲板上浪及砰击荷载分布,以南海作业的FPSO为研究对象,采用光滑粒子动力学方法建立波浪-浮体全耦合时域分析模型。基于实测海洋环境参数,对畸形波及规则波作用下FPSO甲板上浪及船首砰击进行研究。首先对畸形波模拟结果进行验证,然后将畸形波作用下的研究结果与规则波作用下的研究结果进行对比分析。结果表明,畸形波作用下船体的纵摇幅值为规则波作用下的1.3倍,砰击荷载为规则波作用下的1.25倍,基于规则波计算的船体砰击荷载值偏小。

聚焦Kundu-Eckhaus方程中畸形波的奇异动力学行为研究

该文基于Darboux变换的相关结果,利用变量分离法推导出了聚焦Kundu-Eckhaus方程的一般高阶畸形波解.然后通过一些图形详细地讨论了这些畸形波解的动力学行为.特别地,这里可以观察到一个四瓣形畸形波和三眼形畸形波是可以共存的,这是完全不同于之前存在的四眼形畸形波.研究结果表明,该文所研究的畸形波结构比在著名的非线性Schrödinger方程中的畸形波结构更为丰富.

畸形波对海洋工程结构物砰击作用的数值分析

该文从畸形波对海洋工程结构物砰击作用的数值进行分析,最先对畸形波生成的原理进行阐述,之后就波浪水槽基础理论、畸形波数值模拟及畸形波对三维平板、垂直板、刚性平台及船舶的砰击作用影响因素以及模拟进行分析,旨在探究出畸形波对海洋工程结构物的影响,避免海洋作业工程出现误差。

韩国周边海域的畸形波概率分析

为了加强对近海畸形波发生概率的认识,利用2009年韩国周边海域9个测站的波浪资料,在基于波压资料直接定义畸形波的基础上,探讨韩国近海畸形波的发生概率及其与有效波压高、季节和水深等3个主要参数的关联特性。结果表明:韩国近海畸形波发生概率与瑞利分布预测值相近,且不随有效波压高、水深的大小而发生变化,而畸形波频发时节随着测站地点的改变而改变。有效波压高、水深、季节与韩国近海畸形波的发生并无明显相关性。

岛礁地形畸形波演化过程的试验及小波谱分析

为研究某岛礁周边波浪演化过程及其特征,本文选取西太平洋的一个典型岛焦地形为研究对象,在试验水池中建立了礁地形三维模型(1∶100)。造波机输入谱为Goda改进的JONSWANP谱,谱峰升高因子γ取2.0,对不同有效波高和有效周期的定向随机波工况进行了试验。在岛礁周围布置多个浪高仪测定波浪的时间序列,并基于小波变换分析波面序列的小波谱特征。通过分析试验中的波浪演化过程,发现多个工况在地形突变处存在畸形波。通过分析小波能谱发现在畸形波近后方出现波群时,该波群会获得畸形波的能量,导致该波群的波能增大,并生成二次畸形波。试验发现地形突变会增大畸形波发生的概率。畸形波的形成与波浪的群性有关,且单次畸形波与二次畸形波演变特点存在差异。

模拟畸形波的聚焦波浪模型

利用改进的高阶谱方法建立了模拟极限波的二维聚焦模型,通过与Baldock(1996)的实验结果和理论值的比较,验证了模型的正确性,并分析了波浪非线性的相互作用对聚焦结果的影响.通过改进Longuet-Higgins海浪模型,给出了4种实验室聚焦模拟畸形波的波浪模型:极限波聚焦模型+随机波模型;极限波聚焦模型+规则波模型;相位角分布范围调制聚焦模型;相同相位角组成波个数调制聚焦模型.基于上述完全非线性数值波浪模型,采用不同的能量分配方式,在有限模拟长度和时间内得到了具有不同H_(max)/H_s值的畸形波.

畸形波(freak wave)

在分析国外研究成果的基础上,简单介绍了"畸形波"的几个基本问题,如"畸形波"的定义、发生的海域、发生的机理等。

畸形波数值模拟和定点生成

采用David L等人提出的数值模拟产生畸形波的方法,以Longuet-Hinggins模型为基础,利用一个基本波列和一个瞬态波列线性叠加模拟波面,在很短的波列中得到畸形波,从而使模拟畸形波的效率提高。得到的畸形波畸形程度较高,并且可以控制畸形波出现的时间和地点。用该方法模拟实测畸形波并与其进行对比验证,结果表明模拟产生的畸形波和实测畸形波吻合良好。以此方法为基础,在实验室内物理产生畸形波将更加具有可操作性。

波浪水池中畸形波生成的研究综述

畸形波具有异常大的波高,容易对海洋结构物造成巨大破坏。世界各大海域均有畸形波发生及其引起的海难记录,其生成机理正引起人们越来越多的关注。在实测畸形波时历的基础上,有必要在实验室中实现畸形波的生成,从而揭示畸形波的生成机理及其对海洋结构物的作用机理。目前,国内外许多学者根据畸形波所产生的海洋环境条件提出了多种多样的畸形波成因假说,并相应地形成了多种畸形波生成模型。色散聚集方法通过控制成分波相位使波浪能量定时定点聚集,简单高效,仍为大多数的畸形波生成研究的首选。在此基础上,部分学者提出或应用了迭代方法对畸形波模拟结果进行优化,以修正非线性波波作用引起的相位、幅值偏离。另一方面,薛定谔方程呼吸子解作为畸形波的一个原型,也在畸形波的生成模拟中得到成功应用。该文针对上述畸形波在数值波浪水池或物理水池中的模拟方法作了综述,可为进一步开展畸形波的机理研究及其对海洋结构物作用机理研究提供基础。

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进行简要回顾,并介绍目前畸形波生成条件预报方法的研究进展。

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。

数值研究畸形波的生成和演化(英文)

使用改进的VOF方法建立2维数值水槽模拟3组实测畸形波和4组非指定畸形波,并分析了畸形波的特征和演化规律。研究结果显示,畸形波并非独立的异常波浪现象,而是与连续大波(大波群)和深谷相伴发生。极端大波和深谷的联合影响对船舶和海洋工程结构的潜在威胁可能远远大于"瞬态"的畸形波,应该引起高度的重视。

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能远超过"瞬态"畸形波,此点应引起高度重视。