基于条件模拟理论的波浪数值模拟

在实验室进行波浪模拟时,有时需要产生既满足某一特定波谱又包含了某一特殊短波列的随机波浪。这往往需要进行大量的波浪模拟,从许多随机波列中进行逐波分析来寻找满足此条件的波浪,费时费力。文章基于Borgman的条件模拟波浪理论,建立了可实现将一特定短波列嵌入满足特定波谱的随机波列中的数值模拟方法。通过加入白噪声的方式,解决了计算中因病态矩阵导致的数值不稳定问题。嵌入不同参数规则波和聚焦波模拟结果表明,嵌入点、嵌入波列的波高和长度的变化对模拟波浪特征影响不大,但是如果嵌入波列的波高较大,嵌入波列后的波浪的最大波高会增大,而嵌入波列与初始随机波列的特征周期应相差不大。     

不规则波浪在陡坡上非线性传播变形的试验研究

通过试验研究了不规则波浪在一陡坡(1:10)上的传播过程中的非线性特征。为达到研究目的,在试验水槽中以JONSWAP谱为靶谱生成了两组随机波浪。试验结果显示,在坡前常水深区域和坡顶,两种波况下波高分布均符合瑞利分布;但是在变浅区域两种波况的波高分布却不尽相同。应用基于小波变换的二阶相位谱来分析波浪在传播过程中的非线性相位耦合特征,结果表明：随着水深的变浅,波浪的非线性逐渐增强并且参与非线性相互耦合的频率成份也越来越多。通过二阶相位谱发现：随着水深的减小,参与最强的非线性相位耦合频率向高频处移动。另外通过傅立叶频谱、二阶谱以及二阶频谱共同分析陡坡上两组波况下低频波浪的演化情况。     

随机波浪中畸形波的数值模拟

文中采用四阶非线性薛定谔方程模拟了二维JONSWAP谱情况下畸形波的生成。分析了深水畸形波的演化过程。探讨了JONSWAP谱参数对峰度和畸形波生成概率的影响。结果表明Benjamin-Feir指数（BFI）是判断波列不稳定调制是否发生的重要参数;峰度值的空间演化曲线和畸形波生成概率曲线趋势一致,峰度值可以预测畸形波生成概率的大小。在随机波浪场中,谱宽较窄和有效波高较小时,畸形波较容易发生。     

基于Boussinesq模型的刚性植被水域波浪传播特性数值分析

通过在Boussinesq水波模型中引入拖曳应力项来考虑植被对波浪的衰减作用,建立了波浪在近岸刚性植被水域传播运动的数值模型。在对模型进行验证的基础上,模拟分析了植被特征参数与入射波要素对波浪传播运动的影响。数值模拟结果表明,波浪在近岸植被区传播时,随着植被密度和植被淹没高度的增加,波浪传播中波高衰减率增大、波能损耗率增大;随着入射波高的增加,波浪传播中波高衰减率增大、波能损耗率增大。     

利用数学模型进行港内长周期波浪风险分析

针对港内长周期波风险问题,使用MIKE 21 BW模型建立了港内波浪传播数学模型。模型的构建使用了白噪谱和天然波况作为入射波浪条件。基于白噪谱的模拟结果,使用数字滤波技术分析了港池固有共振周期,并给出了相应共振周期下的水面高程和能量密度分布;基于天然波况的模拟结果,提取了泊位处的波高时间序列,以30 s为界限,分离出了长周期波。以西非某港为例,探讨了港池的长波风险,模拟结果可作为港池布局的参考依据。     

复杂水域波浪物理模型与数学模型对比研究

基于MIKE21-BW模块,采用多种概化处理模型,研究了烟台港某工程港内波高分布和波浪传播状况。通过与物理模型进行对比,分析了各概化模型的优缺点,选择较优方案。结果表明:对于整个港池波高分布情况,各方案数学模型模拟结果和物理模型试验结果基本吻合,均能较好反映波高分布趋势及一些较复杂波浪传播变形现象。但其中存在多种波浪组合,同时包括波浪折射、反射、绕射、破碎、爬坡且反射波占主导地位的局部水域,数学模型模拟的波高数值都与物理模型结果相去甚远,说明MIKE21-BW仍不能很好模拟此类复杂波况水域。     

不规则波浪的数值模拟

优良的波浪环境条件是研究非线性波浪和浮式结构物相互作用问题的基础.文章在数值波浪水池中对不规则波浪进行了数值模拟,造波通过摇板的运动实现,消波通过在水池后段设置消波区实现,自由液面由VOF方法捕捉.对计算所得的波浪时历进行谱分析并将所得谱与理论谱进行了比较,吻合良好.     

新波浪理论在系留船舶二阶波浪力计算中的应用研究

通常在计算波浪与结构物相互作用时都采用规则波假定,例如Airy波和Stokes波,波高一般采用实测有效波高,这种方法认为所有的波浪能量都集中在一个波浪频率上,从而忽视了海洋波浪实际的宽谱特征使得计算出的结构物动态响应不具有代表性。该文阐述了新波浪理论(NewWave Theory)的基本概念,介绍了一种新型的极限入射波浪模型,该模型考虑了天然海浪的随机性、谱性和方向性。新建立的波浪模型不仅可以作为恶劣海域海工结构计算时最不利波浪力设计标准,而且可使系留船舶的全向二阶波浪力计算得到极大的简化,节省大量的时间成本。文中还阐述了新波浪理论模型引入到波浪与结构物相互作用水动力计算的方法和步骤。最后对一种萨哈林(Schiehallion)型FPSO在不同方向入射波作用下的平均漂流力进行了计算和讨论。     

斜向波浪作用下直立式防波堤前沿波浪特性试验研究

在波浪与结构物相互作用过程中,若入射波波向与结构物小于某个角度时,会产生沿着建筑物传播的Stem波。它的波能在传播过程中迅速集中,对堤结构的稳定性以及港内波浪条件产生重要的影响。通过三维波浪物理模型试验,对比分析了规则波和不规则波下Stem波的波高分布随波浪入射角的变化规律以及不同结构形式防波堤前Stem波的波高分布。研究结果表明：规则波和不规则波作用下直立堤前Stem波波高垂直于堤轴线方向均呈部分驻波的分布形式,规则波作用下直立堤前Stem波波高垂直于堤轴线方向的变化幅度明显大于不规则波。对于不开孔直立堤,相同入射波浪周期下,波陡较大时Stem波比波高较小;而在不同波浪周期下,波浪入射角较小时,波陡对Stem波比波高影响不大;在波浪入射角度较大时,波陡较大则Stem波比波高较小。波浪入射角和直立堤开孔与否对直立堤前Stem波比波高的影响较大,且规律明显。     

三维数值波浪水池的构建和粘性影响研究

以商业软件Ansys14.0中的CFD模块Fluent为平台,通过程序接口加载UDF程序进行二次开发,采用流体体积法VOF(Volume of Fraction)和几何重构法(Geo-Reconstruct)捕捉流体分界面,利用动网格铺层技术Layering实现造波板的运动,同时在动量方程中添加源项实现阻尼消波,建立具有良好造波、消波功能的三维推板式数值波浪水池。利用本数值水池,结合理想流体Inviscid模型和湍流RNG k-ε模型,通过模拟具有不同波长、波高的余弦波研究粘性在数值波浪水池中的影响。结果分析表明,粘性力对流体质点的运动存在阻滞作用,从而使波高沿水池长度方向发生了明显的衰减,衰减幅度与波陡呈正比,衰减形式符合指数规律。     

波浪中远洋船舶耦合运动的数值模拟

利用基于FLAC3D和基于UDEC的2种传统方法对船舶耦合运动进行数值模拟,结果准确性较低。针对上述问题,提出一种新的基于CFD的远洋船舶耦合运动数值模拟研究方法。首先给出船舶耦合运动的假定条件,然后建立反映问题本质的数学模型,接着利用有限体积法对该方程进行离散,最后利用有限差分法对离散后的方程进行求解,完成船舶耦合运动数值模拟。结果表明:与基于FLAC3D和基于UDEC的2种传统方法相比,利用本研究方法对船舶耦合运动进行数值模拟,模拟结果准确性提高6.3%和14.5%,达到了研究目的。     

船舶并靠中海浪模型算法的研究

首先从波能谱入手,在ITTC标准海浪谱的基础上,利用等能量划分法,构造船舶并靠中的海浪模型;然后分析在此海浪模型中并靠两船的相对运动情况,在研究中发现波浪会对船舶的横摇有影响。针对并靠船舶的横摇设计变阻尼波浪补偿器,对船舶的相对运动进行补偿,保证船舶在并靠过程中的安全。     

筒型基础海洋平台拖航研究—波浪影响分析

文章以锦州9-3筒型基础系缆平台为对象,在拖航速度、筒位置以及平台吃水深度一定的条件下,通过模型试验测定了平台在不同规则波浪中拖航时的平台运动加速度、筒内气压力、筒底水压力以及拖缆力.并对试验数据进行比较分析,用于研究波浪对筒型基础平台随浪、顶浪拖航时的影响分析.试验结果表明:筒型基础平台可在渤海水域十年一遇有义波高4.5m的巨浪中拖航,在波高2m以下,航速2节以内,随浪拖航与顶浪拖航均有较高的稳性以及耐波性;顶浪拖航平台的垂荡运动要比随浪拖航时剧烈,随浪拖航平台的稳性以及耐波性要优于顶浪拖航;平台在大浪中拖航时,随浪拖航容许航速要高于顶浪拖航容许航速.     

基于二维海浪谱的风涌浪分离方法研究*

海浪通常以风浪和涌浪混合的形式存在。二者的成长、消衰、传播和破坏机制各不相同,实现风涌浪分离对海洋研究和工程应用具有重要意义。基于斯里兰卡汉班托塔海域的实测数据,讨论了传统波龄法中波龄阈值的选取问题,并对汉班托塔海域的海浪特征进行分析,最后利用波龄法对新提出的不依赖风速风向信息的超射法进行了研究。结果表明,波龄阈值取1.7时最为合理。汉班托塔海域为外海涌浪主导。超射法对外海涌浪的识别结果与波龄法一致,而对高频位置的风浪和局地涌浪给出了不同的结果,这主要是由海浪物理特性的改变慢于风速风向的变化引起。     

Error correction of a predictive ocean wave model using local model approximation

Constructing models from time series with nontrivial dynamics is a difficult problem. The classical approach is to build a model from first principles and use it to forecast on the basis of the initial conditions. Unfortunately, this is not always possible. For example, in fluid dynamics, a perfect model in the form of the Navier–Stokes equations exists, but initial conditions and accurate forcing terms are difficult to obtain. In other cases, a good model may not exist. In either case, alternative approaches should be examined. This paper describes an alternative approach of combining observations and numerical model results in order to produce an accurate forecast. The approach is based on application of a method inspired by chaos theory for building nonlinear models from data called Local Models. Embedding theorem based on the time lagged embedded vectors is the basis for the local model. This technique is used for analysis and updating of numerical model output variables to forecast and correct the errors created by numerical model. The local model approximation is a powerful tool in the forecasting of chaotic time series and has been employed for wave prediction in a forecasting horizon from a few hours to 24 h. The efficacy of the local model as an error correction tool (by combining the model predictions with the observations) compared with the predictions of linear auto regressive models has been brought up. In the present study, the parameters driving the local model are optimized using evolutionary algorithms.     

通州湾区域用海对近岸波浪场的影响

采用CCMP背景风场与Holland梯度风场模型叠加构建新的SWAN驱动风场,对台风"梅花"期间东中国海的波浪场进行数值模拟,并结合卫星数据进行验证,讨论了拖曳力系数饱和值的最适选取,以给小范围提供最佳波谱边界。运用SWAN自嵌套进行小范围数值模拟研究,结合波浪测站实测数据进行对比,对区域用海后保留通道的两种方案进行对比分析。结果表明,台风期间保留西通道较东通道有效波高更小,所取特征站位平均减幅0.10m,最大降幅达0.25m。     

基于能量分布重叠率的海浪谱评估方法研究

海浪谱评估是非规则波的水池造波,波浪及舰船耐波性数值模拟研究中的重要一环,是其效果评价的依据。文中阐述了目前常用的几种海浪谱评估方法的优势与不足,并提出一种基于能量分布重叠率的海浪谱评估新方法。具体为:针对频谱计算其面积重叠率,针对方向谱计算其体积重叠率。试验表明,该方法过程简单、计算快捷、效果较好,是一种简单实用的海浪谱评估方法。在此基础上又针对实际评估更侧重谱形的情况,提出了一种略为复杂而精度更高的使用一阶矩的改进算法。     

船舶疲劳强度评估等效设计波法研究

在现有船舶疲劳强度评估设计波法基础上,对设计波的选取和应力范围的计算部分进行改进。提出一种更能全面考虑船舶载荷状态的设计波选取方法,同时定义一种更为准确的应力范围选取方法。以1艘散货船为例,根据筛选的设计波,进行疲劳损伤的计算,比较本文提出的改进的设计波法和原有谱分析法得到的疲劳寿命值,验证本文提出方法的可行性和优越性。     

海洋工程设计波浪推算方法比较研究

由于极端气候的明显加剧,如何合理外延推算多年一遇设计波高对海洋工程更加重要。目前波浪资料年限普遍偏短,而使用较多的P-Ⅲ型曲线法浪费资料严重。P-G(Poisson-Gumbel)复合极值法能提高资料利用率,解决资料短缺的矛盾。文章分析了某海域55年台风浪资料,对P-G复合极值法的阀值敏感性进行分析,可知P-G复合极值曲线和P-Ⅲ型曲线大致相近,P-G复合极值法的阀值敏感性较低,在较短年限时P-G复合极值法更稳定。     

Assimilation of SeaWiFS ocean chlorophyll data into a three-dimensional global ocean model

Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor (SeaWiFS) chlorophyll data were assimilated with an established three-dimensional global ocean model. The assimilation improved estimates of chlorophyll relative to a free-run (no assimilation) model. Compared to SeaWiFS, annual bias of the assimilation model was 5.5%, with an uncertainty of 10.1%. The free-run model had a bias of 21.0% and an uncertainty of 65.3%. In situ data were compared to the assimilation model over a 6-year time period from 1998 through 2003, indicating a bias of 0.1%, and an uncertainty of 33.4% for daily coincident, co-located data. SeaWiFS bias was slightly higher at − 1.3% and nearly identical uncertainty at 32.7%. The free-run bias and uncertainty at − 1.4% and 61.8%, respectively, indicated how much the assimilation improved model results. Annual primary production estimates for the 1998–2003 period produced a nearly 50% improvement by the assimilation model over the free-run model as compared to a widely used algorithm using SeaWiFS chlorophyll data. These results suggest the potential of assimilation of satellite ocean chlorophyll data for improving model results.