畸形波的實驗研究和數(shù)值模擬.pdf

1、畸形波是一種瞬時存在、具有較大波高的災(zāi)害性波浪，對海上航行和建筑物具有較大的破壞性。由于畸形波出現(xiàn)的概率較低，實測資料較少，畸形波的研究工作并不深入，仍處于初始階段，其發(fā)生機(jī)理、出現(xiàn)概率、影響因素等還不明確，因此有必要進(jìn)行畸形波相關(guān)問題的研究。本文將開展畸形波的實驗研究，并對相關(guān)問題進(jìn)行數(shù)值模擬。 本文在二維波浪水槽內(nèi)開展了隨機(jī)波列中畸形波的實驗研究，重點(diǎn)研究了波浪破碎對隨機(jī)波浪統(tǒng)計特性及畸形波出現(xiàn)的影響，明確了無因次水深、波陡

2、、譜峰升高因子及譜峰周期等因素對隨機(jī)波浪統(tǒng)計特性及畸形波出現(xiàn)的影響。通過實驗發(fā)現(xiàn)，波浪破碎會抑制隨機(jī)波列中畸形波的出現(xiàn)，其對偏度的影響較小，而對峰度的影響較大；水深較大時更易得到畸形波；水深較小時波浪破碎對波高超值概率分布的影響較大。譜峰升高因子對波浪統(tǒng)計特性的影響主要是頻譜的形式，而對其它參數(shù)，像波高分布、偏度值、峰度值等統(tǒng)計參數(shù)的影響較小。波浪畸形參數(shù)Hmax/Hs的極大值主要出現(xiàn)在中等大小的偏度范圍內(nèi)，其有隨峰度的增大而增大的趨勢

3、。通過對實驗結(jié)果的分析，可以得到波浪能量的線性匯聚和非線性匯聚都可引起畸形波的出現(xiàn)。 本文基于高階譜方法建立了快速模擬波浪非線性運(yùn)動的數(shù)值模型，它基于小波陡對速度勢展開，通過快速Fourier變換解決了自由面波動問題。時間積分格式采用改進(jìn)的Adam-Bashfort-Monlton預(yù)報校正格式代替了傳統(tǒng)的Runge-Kutta格式，降低了每時間步的計算量。通過對五階Stokes波和波浪調(diào)制不穩(wěn)定等問題的模擬對模型的正確性和有效性

4、進(jìn)行了驗證。 本文在譜方法模型的基礎(chǔ)上，利用波浪的色散性，并考慮波浪的方向分布，建立了聚焦模擬畸形波的譜方法模型，并開展了實驗尺度的波浪聚焦和開敞海域畸形波的模擬研究。 本文在上述譜方法數(shù)值模型的基礎(chǔ)上，通過附加速度勢的方法引入造波邊界，采用二階造波理論，建立了可模擬波浪產(chǎn)生、傳播的譜方法二階波浪水槽，通過把數(shù)值結(jié)果與理論結(jié)果及實驗聚焦結(jié)果相比較，驗證了水槽的正確性和有效性。 本文分析了波浪的初始不穩(wěn)定運(yùn)動和非線

5、性傳播問題，并利用小波變換理論分析了波浪運(yùn)動的譜特征。對于采用線性輸入的非線性數(shù)值模擬，由于非線性項的存在，在波浪初始運(yùn)動過程中會出現(xiàn)大波的問題，這主要是由發(fā)展方程中能量不平衡引起的高頻不穩(wěn)定引起的，波浪的這種不穩(wěn)定主要發(fā)生在波浪初始運(yùn)動過程中。對于短波問題，波浪的初始不穩(wěn)定隨傳播距離的增大而增大，同時還隨著波陡的增大而增強(qiáng)。利用時間坡度施加于造波板的運(yùn)動位移可有效地控制波浪的這種初始不穩(wěn)定運(yùn)動。通過設(shè)定時間坡度的長度，可采用線性輸入的