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)生機理、出現(xiàn)概率、影響因素等還不明確，因此有必要進行畸形波相關問題的研究。本文將開展畸形波的實驗研究，并對相關問題進行數(shù)值模擬。 本文在二維波浪水槽內(nèi)開展了隨機波列中畸形波的實驗研究，重點研究了波浪破碎對隨機波浪統(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的Adam-Bashfort-Monlton預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、進行了驗證。 本文在譜方法模型的基礎上，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)值結果與理論結果及實驗聚焦結果相比較，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。利用時間坡度施加于造波板的運動位移可有效地控制波浪的這種初始不穩(wěn)定運動。通過設定時間坡度的長度，可采用線性輸入的