考虑波流干扰的深水畸形波数值模拟研究

论文摘要

随着人类海洋油气开发和海底资源探索的不断深入,发现在诸多海域观测到的畸形波,对海洋结构物的安全构成严重威胁。由于实测数据记录的匮乏和复杂的生成机理,当前国内外研究人员仍无法建立一个能准确描述畸形波的数值模型,急需在实验室物理模拟畸形波的产生,因而本文主要采用能应用到实验室产生畸形波的方法来建立数值模型,探讨畸形波的生成机理和物理特性,同时为物理模拟畸形波生成提供理论依据和技术支持。本文的主要研究内容为:1)以四阶非线性薛定谔方程为基础,建立移动坐标系中深水波列演化的数值模型;2)以过渡水波为初始条件模拟畸形波的生成,探讨非线性因素对畸形波聚焦时间/地点,波形以及水动力特性等的影响;3)建立流作用下的高阶薛定谔方程,研究波流干扰作用对畸形波生成的影响,同时对畸形波破碎发生的可能做讨论;4)通过优化随机波浪的初相位,针对一定的目标值,模拟无流状态和流作用下随机波浪中畸形波的生成。主要研究结论有:1)非线性对畸形波集中时的波形有比较明显的影响,使集中波形在呈横向不对称性;2)海流对聚焦波浪的形状影响非常大,超过了非线性因素的影响,在逆流情况下,时间序列中的聚焦波形横向不对称性明显加剧;3)海流会对波浪的聚焦位置有所影响,在逆流时聚焦位置会明显提前,而顺流时则会推后,但是海流对聚焦时间几乎没有影响;4)运用混合优化算法,控制随机波浪的初相位,能模拟生成特定的畸形波,可应用到实验室造波。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 畸形波的定义与记录
• 1.2.2 畸形波的生成机理
• 1.2.3 畸形波的实验/数值研究
• 1.3 本文的研究内容
• 第二章 理论基础
• 2.1 四阶非线性薛定谔方程
• 2.1.1 无流状态的四阶薛定谔方程
• 2.1.2 流作用下的四阶薛定谔方程
• 2.2 过渡水波理论
• 2.2.1 过渡水波的产生
• 2.2.2 叠加原理
• 2.2.3 傅里叶谱
• 2.3 不规则波浪理论
• 2.4 本章小结
• 第三章 无流状态的畸形波数值模拟
• 3.1 数值计算方法
• 3.2 数值模型验证
• 3.3 畸形波的生成
• 3.3.1 初始条件
• 3.3.2 参数设置
• 3.3.3 畸形波的生成
• 3.4 模拟结果分析
• 3.4.1 非线性项的影响
• 3.4.2 傅里叶谱波陡的影响
• 3.5 本章小结
• 第四章 流作用下的畸形波数值模拟
• 4.1 初始条件及参数设置
• 4.2 流作用下畸形波的生成
• 4.3 流对畸形波特征参数的影响
• 4.3.1 对集中波形的影响
• 4.3.2 对聚焦时间/地点的影响
• 4.3.3 与非线性项的比较
• 4.4 畸形波破碎发生的讨论
• 4.5 本章小结
• 第五章 随机海浪中的畸形波数值模拟
• 5.1 海洋不规则波浪的模拟
• 5.1.1 海洋谱的选择
• 5.1.2 不规则波浪的模拟
• 5.1.3 模拟结果的分析
• 5.2 随机波浪中畸形波的生成
• 5.2.1 初始条件设置
• 5.2.2 畸形波的数值模拟
• 5.2.3 模拟结果的谱分析
• 5.3 控制随机初相位的优化模拟
• 5.3.1 波浪时序与造波信号的关系
• 5.3.2 波浪的优化模型及方法
• 5.3.3 无流状态下畸形波的优化模拟
• 5.3.4 流作用下畸形波的优化模拟
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间已发表或录用的论文