畸形波的生成及基本特性研究

论文摘要

畸形波的危害巨大引起人们高度关注，但由于研究时间尚短和实测资料匮乏，导致人们对其高度关注的同时迫切需要物理或数值的实现和再生，进而掌握其基本特征、生成机理及内、外部结构。首先运用数值模拟方法得到了包含畸形波的随机波列；然后以此为基本出发点，将其转化为控制造波机的驱动时间信号序列，提出了物理生成畸形波的一个新试验方法，在实验室内实现了可控制的畸形波物理生成；进一步，实测了畸形波的整个生成、发展、演化过程，分析了不同条件下畸形波的基本特性及其影响因素。研究具体内容包括：·对畸形波的发生地点、定义、基本特性、发生机理和研究现状进行概述。·采用数值模拟方法，采用部分组成波初相位相同、双波列叠加、三波列叠加等多个模型数值生成畸形波，结果证明这些模型都能得到包含畸形波的波列；运用这些模型模拟生成实测畸形波并进行了对比，发现三波列叠加模型模拟生成畸形波的效率最高，效果最好。·运用四种方法在实验室物理模拟生成畸形波：首先在一定坡度的地形上观测不含畸形波的“常规”不规则波浪的变形演化过程，探讨自然海域中地形变化导致畸形波发生的可能性。试验的结果证明“常规”不规则波浪在地形上演化变形可以生成畸形波，但畸形波出现的效率很低，且不易控制；“部分组成波初相位相同模型”：将1／3组成波调整为具有相同的初相位。采用该信号序列驱动造波机在实验室模拟生成畸形波，由于1／3组成波的初相位相同增强了波浪汇聚的能量，试验中具有较大波高的波浪出现概率明显增加，但仍不能控制畸形波的生成时间和地点。“双波列叠加模型”：首先直接采用Kriebel的组成波能量分配方法，将组成波能量分配成“瞬态波列”和“基本波列”两部分，应用上述“双波列叠加模型”得到的信号序列驱动造波机在实验室模拟生成畸形波，试验结果证明该方法可以粗略控制畸形波的生成时间和地点，但由于波能汇聚效果不好，生成的波浪波高较大但很难满足畸形波定义的全部条件，畸形波独立突出的特点还不明显。采用改进的Kriebel试验方法，基于“双波列叠加模型”，自定义生成波浪，可实现畸形波的定时、定点物理生成。但该方法模拟畸形波效率不高，且影响整个波列的有效波高。采用本文提出的新试验方法，基于“三波列叠加模型”，自定义生成波浪，试验发现与“双波列叠加模型”比较，在瞬态波列占有的能量比例相同的条件下，“三波列叠加模型”可以提高畸形波的模拟效率，减少对模拟波列天然特征的影响，通过联合调整瞬态波浪占有能量的比例和有效波高的方法，实现了实验室内畸形波的定点、定时、定量物理生成。·采用“三波列叠加模型”物理再现天然条件下的畸形波，效果良好。·在畸形波生成可控制技术实现的基础上，研究了畸形波产生、发展、演化的整个过程和基本特性。试验证明了畸形波生成后期，可以演化出异常大波谷(俗称“海中的深洞”)形态，并可在2倍左右的平均周期内形成二次畸形波。畸形波的持续时间一般不超过1.5倍谱峰周期。畸形波的周期通常介于波列的平均周期与有效周期之间。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文的研究目的和意义
• 1.2 畸形波研究综述
• 1.2.1 畸形波记录
• 1.2.2 畸形波的定义
• 1.2.3 畸形波的基本特性
• 1.2.4 畸形波生成机理的若干假说
• 1.2.5 波浪物理模拟的历史
• 1.2.6 畸形波的物理模拟
• 1.2.7 畸形波与结构物的作用
• 1.3 本文研究工作
• 2 生成畸形波的理论模型及数值模拟
• 2.1 不规则波浪模拟方法及要求
• 2.1.1 不规则波浪模拟方法
• 2.1.2 不规则波浪模拟的要求
• 2.2 畸形波数值模拟理论模型一:部分组成波初相位相同模型
• 2.2.1 数值模拟生成畸形波的原理
• 2.2.2 数值实现及分析
• 2.2.3 部分组成波初相位相同模型模拟实测畸形波
• 2.3 畸形波数值模拟理论模型二:双波列叠加模型
• 2.3.1 双波列叠加模型
• 2.3.2 数值实现及分析
• 2.3.3 模拟实测的“新年波”
• 2.3.4 双波列叠加模型的优缺点
• 2.4 双波列叠加模型的改进
• 2.4.1 调整基本波列组成波的初相位
• 2.4.2 基本波列和瞬态波列最大波浪出现时刻同步法
• 2.4.3 改进双波列叠加模型小结
• 2.5 畸形波数值模拟理论模型三:三波列叠加模型
• 2.5.1 三波列叠加模型
• 2.5.2 三波列叠加模型的数值实现
• 2.5.3 三波列叠加模型模拟实测畸形波例
• 2.5.4 三波列叠加模型模拟实验室尺度畸形波
• 2.6 生成畸形波的理论模型及数值模拟小结
• 3 畸形波的物理生成
• 3.1 造波系统与造波信号的形成
• 3.1.1 造波系统
• 3.1.2 造波信号的形成
• 3.2 不规则波浪在一定坡度地形上传播与演化
• 3.2.1 试验目的
• 3.2.2 模型布置与试验方法
• 3.2.3 波浪要素模拟结果
• 3.2.4 试验结果及分析
• 3.3 部分组成波初相位相同模型物理生成畸形波
• 3.3.1 试验组别
• 3.3.2 模型布置及试验方法
• 3.3.3 试验结果及分析
• 3.4 基于双波列叠加模型物理生成畸形波
• 3.4.1 双波列叠加模型造波的物理实现和测量方法
• 3.4.2 试验结果及分析
• 3.5 物理生成畸形波小结
• 4 畸形波的可控制物理生成
• 4.1 物理生成畸形波的一个新试验方法
• 4.1.1 现试验方法存在的问题
• 4.1.2 物理生成畸形波的一个新试验方法
• 4.1.3 生成畸形波新方法的试验验证
• 4.1.4 新方法生成畸形波的特征及存在问题
• 4.2 基于三波列叠加模型物理生成畸形波
• 4.2.1 最佳能量分配比例
• 4.2.2 两个瞬态波列之间能量的分配方式对生成畸形波的影响
• 4.2.3 双波列叠加模型和三波列叠加模型模拟效果的对比
• 4.3 可控制畸形波的生成
• 4.3.1 畸形波定点生成
• 4.3.2 畸形波的定点、定时生成
• 4.3.3 畸形波的定点、定时、定量生成方法
• 4.4 天然畸形波的物理模拟
• 4.4.1 天然实测“新年波”的模拟
• 4.4.2 天然实测“北海畸形波”的模拟
• 4.4.3 海洋中的“深洞”模拟
• 4.5 小结
• 5 畸形波的基本特性及影响因素研究
• 5.1 畸形波及其波列基本特征的描述参数
• 5.2 畸形波的生成、演化、消亡过程中特征参数的变化
• 5.2.1 畸形波的生成、演化过程中波列统计参数和非线性参数的变化
• 5.2.2 畸形波的生成、演化过程中特征参数的变化
• 5.3 畸形波的周期、持续时间及其影响因素
• 5.3.1 畸形波周期及持续时间的定义
• 5.3.2 畸形波周期、持续时间与谱峰周期的关系
• 5.3.3 畸形波周期、持续时间与瞬态波能量比例的关系
• 5.3.4 畸形波周期、持续时间与有效波高的关系
• 5.4 不同因素对波列及畸形波特征参数的影响
• 5.4.1 谱峰周期对波列及畸形波特征参数的影响
• 5.4.2 瞬态波列占有能量的比例对波列及畸形波特征参数的影响
• 5.4.3 有效波高对波列及畸形波特征参数的影响
• 5.5 小结
• 6 结论与展望
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢