基于双波群聚焦的畸形波形成机理分析

发布时间：2020-09-24 06:14

　　畸形波是一种包含在随机波列当中的单个异常大波浪,具有明显的非线性特征,持续时间短,能量集中,破坏力惊人。目前关于畸形波生成机理有多种假设,其能够解释特定条件下畸形波产生,但是不规则波列中畸形波产生机理,仍未得到明显直接的解释。本文通过对不规则波列大量畸形波的实验数据进行分析,得出了波群间相互作用是畸形波产生的重要机理。基于此机理,设计了双波群聚焦形成畸形波的实验,并通过小波变换、傅里叶变换以及组成波分离等方法,分析了畸形波产生过程中波群的演化特征、频谱特征、波群组成成分之间的高阶相互作用。并在此基础上,研究了波浪破碎的特性。本文首先对单向不规则波列中畸形波的形成过程进行分析,观察和归纳畸形波产生机制。结果表明:畸形波在形成时,可能存在不同的机制,除了 B-F不稳定性机制外,双波群作用也可以产生畸形波。然后,利用两个单聚焦波群叠加,实验模拟了双波群聚焦产生畸形波的过程,并通过组成波分离的方法分析了波群间相互作用。实验结果分析表明:波群演化过程中,双波群间的三阶非线性作用对畸形波形成起到重要作用,其改变了波浪色散关系,增大聚焦波幅。并且波群谱峰频率宽度越小,三阶非线性作用越明显,表明波群间频率宽度越小,越容易产生畸形波。最后,基于双波群聚焦机制开展波浪破碎实验,初步研究该机制下破碎波浪的特性。结果表明:在波群演化形成波浪破碎时,其破碎情况与两波群的中心频率之间宽度Δf有关,当中心频率差别越大,聚焦位置前后会发生至多两次不同强度的破碎。且破碎过程中的能量损失主要来自高频波群,破碎后,波群演化能量重新分布,低频波群谱峰能量逐渐向高频波群转移,低频谱峰能量减小。两谱峰之间能量变化最显著,破碎时能量减小,破碎后波群演化过程中迅速恢复。本文研究成果有助于进一步揭示不规则波列中畸形波产生和波浪成长机理。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：P731.22
【部分图文】：

时间序列,北海,时间序列

在北海Ｄｒａｕｐｎｅｒ石油平台采集到了一组包含畸形波的坡面记录。监测的波高为２５．６ｍ，逡逑１２００ｓ长的观测记录显示当时的有效波高是１１．９２ｍ，波峰值１８．４ｍ，７Ｋ深７０ｍ，此畸形逡逑波的特征周期１２ｓ，则按照线性色散关系可以得出此畸形波波长为２２０ｍ。图１．１为“新逡逑年波”时间．序列：逡逑２０邋—逡逑ＩＩ，一逡逑＾罐秦｜１｜４逡逑＊■重０逦＿逦Ｉ逦＇逦Ｉ逦１逦Ｉ逦１逦Ｉ逦１逦Ｉ逡逑Ｏ逦４逦Ｈ逦１２逦１６逦２０逡逑ｔｉｍｅ邋（ｍｉｎ）逡逑图１．１邋发生在北海的“新年波”波而时间序列逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｉｍｅ邋ｒｅｃｏｒｄ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋—Ｎｅｗ邋Ｙｅａｒ邋ｗａｖｅ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋Ｎｏｒｔｈ邋Ｓｅａ逡逑２００１年在南大西洋，ＭＳ邋Ｂｒｅｍｅｎ和Ｃａｌｅｄｏｎｉａｎ邋Ｓｔａｒ遇到３０米高的畸形波，这使逡逑得船的窗户被砸碎，几乎所有的电源和仪器仪表也被破坏了。逡逑２００５年４月１６日，“挪威之光”号船在恶劣天气驶入格鲁吉亚海岸时，遇到大约逡逑三英尺高（２１．３４米）的畸形波。不仅第九和第十层甲板被损坏，且很多甲板被淹没《逡逑由于畸形波的发生是个偶然事件，其时间和地点均难以预测，因此目前还没有准确逡逑有效的方法对海洋中的畸形波进行主动的追踪观测和记录。也正因为现场观测资料非常逡逑有限，畸形波的生成机理仍未十分确定，其影响因素和生成机理的进０步研宄还需要更逡逑多、更详细的实测数据和实验研究。逡逑１．２．２畸形波的形成机理逡逑从畸形波的观测记录可以发现

不同距离,演化过程,小波能量,过程线

￡逦八逦７＃邋（２７．５ｍ）逡逑＾逦、一逦７逦－＾？逡逑／ｖ逦８＃邋（３０ｍ）逡逑￣邋＾邋、－—邋—逡逑９＃邋（３２．５ｍ）逡逑？￣－—？＜￣＾－邋—邋—逦－逦■＊＾＊￣ｓ？－逦＿■邋ｉ＿ｉ一丨－—逡逑１０＃邋（３５ｍ）逡逑ＩＱ邋ｔ￣？＂＞邋逦逦逦逦逦—邋邋逦逦逦逦邋，邋一邋Ｚ■■—＂’邋＞＊＇Ｎ＇邋逦逦逦逡逑／Ｖ逦１１＃邋（４０ｍｌ逡逑Ｑ邋ｘ—＾邋—Ｉ邋ｒｎ邋？邋＾邋１逦Ｋ＂邋＇？邋Ｉ逦逦１逦，邋｝／＾邋＞ｓ＾ｉ邋＾邋—，逦１邋－＞邋／＊＞＾逡逑１００逦１１０逦１２０逦１３０逦１４０逦１５０逦１６０逦１７０逦１８０逦１９０逦２００逡逑Ｔｉｍｅ（ｓ）逡逑（ｂ）小波能量过程线逡逑图２．１实验中某段波而的演化过程以及小波能量演化过程（Ｃ９－０４，ＢＦＩ＝０．８７，７＞＝１．０ｓ，邋ｆ＝７）逡逑Ｆｉｇ．２．１邋Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｗａｖｅ邋ｔｒａｉｎ邋ａｎｄ邋ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ邋ｗａｖｅｌｅｔ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ邋ｌｉｎｅ邋ｉｎ邋ｔｈｉｓ逡逑ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ邋（Ｃ９－０４，ＢＦＩ＝０．８７，Ｊ＾＝１．０ｓ，邋ｙ＝７）逡逑图２．２给出几个典型位置的小波能谱，图中良线为对应的波面过程线。从图中可楚看到在畸形波形成前ｘ＝１０ｍ处，波群中存在一系列大波，这些波能量频谱比较接近。逡逑着波浪的传播，逐渐自聚焦，能量越来越集中，形成一个大波。这个过程与现有的性调制不稳定机制形成额畸形波演化过程十分相似，初步认为是由该机制产生的。逡逑

演化过程,小波能量,波群

Ｆｉｇ．２．１邋Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｗａｖｅ邋ｔｒａｉｎ邋ａｎｄ邋ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ邋ｗａｖｅｌｅｔ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｈｉｓｔｏｒｉｃａｌ邋ｌｉｎｅ邋ｉｎ邋ｔｈｉｓ逡逑ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ邋ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ邋（Ｃ９－０４，ＢＦＩ＝０．８７，Ｊ＾＝１．０ｓ，邋ｙ＝７）逡逑图２．２给出几个典型位置的小波能谱，图中良线为对应的波面过程线。从图中可以逡逑清楚看到在畸形波形成前ｘ＝１０ｍ处，波群中存在一系列大波，这些波能量频谱比较接近。逡逑随着波浪的传播，逐渐自聚焦，能量越来越集中，形成一个大波。这个过程与现有的非逡逑线性调制不稳定机制形成额畸形波演化过程十分相似，初步认为是由该机制产生的。逡逑Ｔｉｍ？（ｓ）逦Ｔｉｍｒｔｓｌ逡逑餐呡袭：嫇避藏呡毒襄逡逑°１５８逦１５９逦１６０逦１６１逦１６２逦１６３逦１６４逦１６５逦１６６逦１６７邋ｌｅｉＰ逦１６９逦１７０逦１７１逦１７２逦１７３逦１７４逦１７６逦１７６逦１７７逦１７８逦１７９逡逑ＴｉＢＭｔ）逦ＴｒｎｗｆｓＯ逡逑图２．２距离造波板不同距离处波群的小波能谱（Ｃ９－０４，ＢＦＩ＝０．８７，７＞＝１．０ｓ，邋ｒ＝７）逡逑Ｆｉｇ．２．２邋Ｗａｖｅｌｅｔ邋ｅｎｅｒｇｙ邋ｓｐｅｃｔｒｕｍ邋ｏｆ邋ｗａｖｅ邋ｇｒｏｕｐｓ邋ａｔ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｄｉｓｔａｎｃｅｓ邋（Ｃ９－０４

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