CN106777784A - 一种基于波浪液面时程监测数据的波浪作用估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于波浪液面时程监测数据的波浪作用估计方法，该技术发明的主要目的是为了克服传统的波浪作用估计方法，通过对已有的液面监测数据对波浪作用在结构物上的波浪作用进行估计。该方法不需要直接知道原始波浪的相关特性，利用实测得到柱体结构物表面测量点处的液面时程信息，进而通过待定系数矩阵C的求解方程：C(t)＝M^‑1J(t)，将待定系数矩阵C(t)带人公式就能够得到t时刻的结构物上的波浪力，从而完成对结构物上的波浪力的估计和监测。该方法可以根据t时刻和t时刻之前的数据做出对于t时刻的结构物上所受到的波浪力估计，因此该方法可以达到实时监测的效果。

Description

一种基于波浪液面时程监测数据的波浪作用估计方法

技术领域

本发明涉及一种基于波浪液面时程监测数据的波浪作用估计方法。

背景技术

海洋工程结构包括很多种，其中主要包括海洋平台，海上风力发电机，导管架和跨海大桥等。波浪荷载作为海洋工程结构的主要荷载之一，其作用研究主要分为两大类，第一类是确定性理论，即从流体力学的方法来描述作用在结构上的波浪，从而求出波浪力。该方法将相应的波高、周期等波浪参数来描述波浪特性从而建立确定性方法来对结构的波浪作用进行求解，第二类是不确定性理论，即从能量角度出发，把波浪的能量作为结构的能量输入来描述结构的波浪作用。从波浪能量角度出发的方法是采用概率方法思想，该方法考虑到波浪的随机性，将波浪对结构的作用看作是一个伴随能量输入的随机过程，从而进行求解。

上述两种理论的柱体结构的波浪力估计主要采用莫里森方程或势流理论，而应用上述理论则需要已知结构物所在地的未受结构物干扰的波浪相关信息，比如波浪周期和波高等信息。而对于已有的结构物，其所在地点的波浪实时特性很难获得，这也对波浪力的实时估计带来困难。其次还有莫里森方程中的动力系数多采用经验性系数，这对波浪作用估计结果带来一定的误差。

发明内容

基于以上不足之处，本发明提供一种基于波浪液面时程监测数据的波浪作用估计方法，该技术发明的主要目的是为了克服传统的波浪作用估计方法，通过对已有的液面监测数据对波浪作用在结构物上的波浪作用进行估计。该方法不需要直接知道原始波浪的相关特性，而从监测数据通过相关算法直接获得该时刻下的波浪力大小和方向，从而达到对波浪对结构物作用的实时监测。

本发明所采用的技术如下：一种基于波浪液面时程监测数据的波浪作用估计方法，其中波浪液面时程信号是通过沿柱体结构物周向分布的三个监测点进行实时采集得到，估计方法如下:

首先将监测点的波浪液面时程分解成多个余弦函数叠加，如公式(1)

其中η(θ,t)是不同监测点处得到的监测数据，θ是监测点的角度变量，t为时间变量，a_n(θ)，ω_n，和分别是各个余弦分量的幅值，频率和相位，该参数通过对监测信号进行傅里叶分解得到，此时将以上时程信号处理为其处理方法见如下公式

其中k_n为波数，h为水深，g为重力加速度，并满足该色散关系公式(2)进而写成如下形式

和为t时刻待定的参数，一旦这些待定参数确定，利用公式(4)得到t时刻的波浪作用在结构物上的波浪力

其中ρ为水的密度，r为圆柱的半径；

公式(3)中的待定参数求解方法如下：

对于三个监测点，每个监测点在柱坐标系下的角度坐标为[θ₁ θ₂ θ₃]，公式(4)中的和从公式(5)求得

MC(t)＝J(t) (5)

其中M为系数矩阵，C(t)为待定系数矩阵，J(t)为三个监测点处理后的受力信号，它们的形式见公式(6)-(8)

因为M为可逆矩阵，所以最终得到待定系数矩阵C的求解方程

C(t)＝M^-1J(t) (9)

将待定系数矩阵C(t)带人公式(4)就能够得到t时刻的结构物上的波浪力，从而完成对结构物上的波浪力的估计和监测。

本技术发明的优点及有益效果：本技术发明主要内容为将波浪液面时程信号通过一定算法转换为波浪力时程信号，进而达到对已有的海洋结构物波浪荷载的实时监测的目的。该方法不需要已知某一时刻下结构物所在地原始的波浪信息，并且可以考虑到其他结构物产生的绕射波和辐射波所带来的影响，即该方法适用于已有海洋建筑群的波浪作用监测与估计。该方法可以根据t时刻和t时刻之前的数据做出对于t时刻的结构物上所受到的波浪力估计，因此该方法可以达到实时监测的效果。该方法对于实际工程应用具有较强的可移植性。

附图说明

图1是监测点布置示意图。

图2是数据采集及处理流程图。

具体实施方式

下面根据说明书附图举例对本发明做进一步解释：

实施例1

一种基于波浪液面时程监测数据的波浪作用估计方法，在已有的柱体结构物1的四周布置3个或3个以上的采用波高仪2，将实时测得的液面时程信号通过连接的电脑进行储存和运算，利用该发明的计算方法可以得到该时刻的波浪力大小及方向，流程图见图2。具体估计方法如下:

首先将监测点的波浪液面时程分解成多个余弦函数叠加，如公式(1)

其中η(θ,t)是不同监测点处得到的监测数据，θ是监测点的角度变量，t为时间变量，a_n(θ)，ω_n，和分别是各个余弦分量的幅值，频率和相位，该参数通过对监测信号进行傅里叶分解得到，此时将以上时程信号处理为其处理方法见如下公式

其中k_n为波数，h为水深，g为重力加速度，并满足该色散关系公式(2)进而写成如下形式

和为t时刻待定的参数，一旦这些待定参数确定，利用公式(4)得到t时刻的波浪作用在结构物上的波浪力

其中ρ为水的密度，r为圆柱的半径；

公式(3)中的待定参数求解方法如下：

对于三个监测点，每个监测点在柱坐标系下的角度坐标为[θ₁ θ₂ θ₃]，公式(4)中的和从公式(5)求得

MC(t)＝J(t) (14)

其中M为系数矩阵，C(t)为待定系数矩阵，J(t)为三个监测点处理后的受力信号，

它们的形式见公式(6)-(8)

因为M为可逆矩阵，所以最终得到待定系数矩阵C的求解方程

C(t)＝M^-1J(t) (18)

将待定系数矩阵C(t)带人公式(4)就能够得到t时刻的结构物上的波浪力，从而完成对结构物上的波浪力的估计和监测。

Claims (1)

1.一种基于波浪液面时程监测数据的波浪作用估计方法，其中波浪液面时程信号是通过沿柱体结构物周向分布的三个监测点进行实时采集得到，其特征在于，方法如下:

首先将监测点的波浪液面时程分解成多个余弦函数叠加，如公式(1)

其中η(θ,t)是不同监测点处得到的监测数据，θ是监测点的角度变量，t为时间变量，a_n(θ)，ω_n，和分别是各个余弦分量的幅值，频率和相位，该参数通过对监测信号进行傅里叶分解得到，此时将以上时程信号处理为其处理方法见如下公式

其中k_n为波数，h为水深，g为重力加速度，并满足该色散关系

公式(2)进而写成如下形式

${\widetilde{\mathrm{\η}}}_F(\mathrm{\θ},t)={\widetilde{\mathrm{\α}}}_0\left(t\right)+\underset{n=1}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\mathrm{\Σ}}}{\widetilde{\mathrm{\α}}}_n\left(t\right)\cos \left(n\mathrm{\θ}\right)+\underset{n=1}{\overset{+\mathrm{\∞}}{\mathrm{\Σ}}}{\widetilde{\mathrm{\β}}}_m\left(t\right)\sin \left(m\mathrm{\θ}\right)---\left(3\right)$

和为t时刻待定的参数，一旦这些待定参数确定，利用公式(4)得到t时刻的波浪作用在结构物上的波浪力

$F({\mathrm{\θ}}_0,t)=-\mathrm{\ρ}gr\mathrm{\π}\[{\widetilde{\mathrm{\α}}}_1\left(t\right)cos\left({\mathrm{\θ}}_0\right)+{\widetilde{\mathrm{\β}}}_1\left(t\right)sin\left({\mathrm{\θ}}_0\right)\]---\left(4\right)$

其中ρ为水的密度，r为圆柱的半径；

公式(3)中的待定参数求解方法如下：

对于三个监测点，每个监测点在柱坐标系下的角度坐标为[θ₁ θ₂ θ₃]，

公式(4)中的和从公式(5)求得

MC(t)＝J(t) (5)

其中M为系数矩阵，C(t)为待定系数矩阵，J(t)为三个监测点处理后的受力信号，它们的形式见公式(6)-(8)

$M=\left[\begin{array}{ccc}1& cos\left({\mathrm{\θ}}_1\right)& sin\left({\mathrm{\θ}}_1\right)\\ 1& cos\left({\mathrm{\θ}}_2\right)& sin\left({\mathrm{\θ}}_2\right)\\ 1& cos\left({\mathrm{\θ}}_3\right)& \sin \left({\mathrm{\θ}}_3\right)\end{array}\right]---\left(6\right)$

$C\left(t\right)={\left[\begin{array}{ccc}{\widetilde{\mathrm{\α}}}_0\left(t\right)& {\widetilde{\mathrm{\α}}}_1\left(t\right)& {\widetilde{\mathrm{\β}}}_1\left(t\right)\end{array}\right]}^T---\left(7\right)$

$J\left(t\right)={\left[\begin{array}{ccc}{\widetilde{\mathrm{\η}}}_1\left(t\right)& {\widetilde{\mathrm{\η}}}_2\left(t\right)& {\widetilde{\mathrm{\η}}}_3\left(t\right)\end{array}\right]}^T---\left(8\right)$

因为M为可逆矩阵，所以最终得到待定系数矩阵C的求解方程

C(t)＝M^-1J(t) (9)

将待定系数矩阵C(t)带人公式(4)就能够得到t时刻的结构物上的波浪力，从而完成对结构物上的波浪力的估计和监测。