CN115186455A - 圆形港池全向聚焦波合成算法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及聚焦波的技术领域，公开了圆形港池全向聚焦波合成算法，利用波谱相位聚焦生成聚焦波，在空间与时间的聚焦点处，所有组成波均以零相位叠加形成聚焦波，由对聚焦波进行分析，反推得到圆形港池外周多个圆周状布置的造波板的位移曲线；本发明提供的圆形港池全向聚焦波合成算法，突破极端波浪研究难点，利用圆形港池造波机的独特对称性，实现了极端聚焦波与图形类聚焦波的模拟生成，如单峰聚焦波、双峰聚焦波、偏心聚焦波、旋转聚焦波、图形类聚焦波等多种聚焦波形，可为深海风暴、海啸、超强台风等极端海况引起的各种随机的、陡峭的、破坏力极强的畸形波模拟提供技术支撑。

Description

圆形港池全向聚焦波合成算法

技术领域

本发明专利涉及聚焦波的技术领域，具体而言，涉及圆形港池全向聚焦波合成算法。

背景技术

极端聚焦波具有波高大、能量集中、非线性强、出没无常等特点，对海洋结构物和船舶造成巨大威胁，是极端海况波浪模型试验的重要研究对象。

我国对于波浪模拟方面的研究较国外起步晚，国内的学者在这方面不断地进行探索研究，很多科研人员致力于造波水池的发展，开展大功率不规则大水池波浪生成的研究，我国也先后建立了很多大型试验水池。

目前，我国至少拥有40个大型试验水池，均为矩形造波港池，都适用于近岸、浅海等大多数应用场景下的海洋环境模拟，面对深海复杂的风浪流海洋环境条件，无法实现全向极端波浪模拟，在波浪模型试验中完全重现极端海况，无法完成海洋技术装备在极端海洋环境下的可靠性验证试验，在功能上难以满足更复杂的深海极端海况模拟需求。

发明内容

本发明的目的在于提供圆形港池全向聚焦波合成算法，满足极端复杂海况模拟的科学试验需求。

本发明是这样实现的，圆形港池全向聚焦波合成算法，利用波谱相位聚焦生成聚焦波，在空间与时间的聚焦点处，所有组成波均以零相位叠加形成聚焦波，由对所述聚焦波进行分析，反推得到圆形港池外周多个圆周状布置的造波板的位移曲线；

根据线性叠加理论，在任意点处波浪的自由面η(x,y,t)表示为不同频率和不同方向的规则波叠加的结果，如下公式(1)：

其中：a_ij是频率为f_i、方向角为θ_j的组成波波幅，k_i为组成波波数，

为组成波初相位，N_f和N_θ分别为组成波频率数和方向数；

组成波角频率ω_i和波数k_i满足线性色散关系，如下公式(2)：

其中：h圆形港池的水深；

设定波浪在指定时刻t＝t_b时聚焦于位置(x_b,y_b)，满足如下公式(3)：

各个组成波的初相位满足如下公式(4)：

波浪在指定时刻t＝t_b时的波高η(x,y,t)如下公式(5)；

设定圆形港池波造波机布置于x＝0m处，在圆形港池中指定位置(x_b,y_b)产生聚焦波，各个造波板的运动函数为如下公式(6)以及公式(7)：

其中，T(f_i,θ_j)是圆形港池造波机的传递函数，S(ω_i,θ_j)为组成波的频谱函数，Δω_i为组成波角频率的变化值，Δθ_j为组成波方向角的变化值。

2、如权利要求1所述的圆形港池全向聚焦波合成算法，其特征在于，设定组成波的离散频率f_i分布在[f₁,f_n]频率范围内,定义组成波的频率区间宽度Δf和中心频率f_c分别为：

波浪的波面特征表示为以下参数的函数：

η＝f[N_f,N_θ,a,f_c,Δf,(x_b,y_b),t_b,α,h] 公式(9)。

与现有技术相比，本发明提供的圆形港池全向聚焦波合成算法，突破极端波浪研究难点，利用圆形港池造波机的独特对称性，实现了极端聚焦波与图形类聚焦波的模拟生成，如单峰聚焦波、双峰聚焦波、偏心聚焦波、旋转聚焦波、图形类聚焦波等多种聚焦波形，可为深海风暴、海啸、超强台风等极端海况引起的各种随机的、陡峭的、破坏力极强的畸形波模拟提供技术支撑。

附图说明

图1是本发明提供的圆形港池全向聚焦波合成算法的运行流程图；

图2是本发明提供的椭圆聚焦波圆形港池分区的示意图；

图3是本发明提供的圆形港池的参考坐标系；

图4是本发明提供的D形聚焦波的聚焦位置的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

本实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照图1-4所示，为本发明提供的较佳实施例。

圆形港池全向聚焦波合成算法，利用波谱相位聚焦生成聚焦波，在空间与时间的聚焦点处，所有组成波均以零相位叠加形成聚焦波，由对所述聚焦波进行分析，反推得到圆形港池外周多个圆周状布置的造波板的位移曲线；

根据线性叠加理论，在任意点处波浪的自由面η(x,y,t)表示为不同频率和不同方向的规则波叠加的结果，如下公式(1)：

其中：a_ij是频率为f_i、方向角为θ_j的组成波波幅，k_i为组成波波数，

为组成波初相位，N_f和N_θ分别为组成波频率数和方向数；

组成波角频率ω_i和波数k_i满足线性色散关系，如下公式(2)：

其中：h圆形港池的水深；

设定波浪在指定时刻t＝t_b时聚焦于位置(x_b,y_b)，满足如下公式(3)：

各个组成波的初相位满足如下公式(4)：

波浪在指定时刻t＝t_b时的波高η(x,y,t)如下公式(5)；

设定圆形港池波造波机布置于x＝0m处，在圆形港池中指定位置(x_b,y_b)产生聚焦波，各个造波板的运动函数为如下公式(6)以及公式(7)：

其中，T(f_i,θ_j)是圆形港池造波机的传递函数，S(ω_i,θ_j)为组成波的频谱函数，Δω_i为组成波角频率的变化值，Δθ_j为组成波方向角的变化值。

上述提供的圆形港池全向聚焦波合成算法，突破极端波浪研究难点，利用圆形港池造波机的独特对称性，实现了极端聚焦波与图形类聚焦波的模拟生成，如单峰聚焦波、双峰聚焦波、偏心聚焦波、旋转聚焦波、图形类聚焦波等多种聚焦波形，可为深海风暴、海啸、超强台风等极端海况引起的各种随机的、陡峭的、破坏力极强的畸形波模拟提供技术支撑。

圆形港池全向聚焦波合成算法实现了极端聚焦波的合成，填补了我国在极端海况模拟关键技术的空白,满足极端复杂海况模拟的科学试验需求，为深远海海洋技术装备、深水油气钻井平台、海洋能源装备等的动态性能测试与可靠性验证提供波浪模型试验平台，有助于深远海海洋技术装备的快速原型验证与优化，为我国重大海洋科学装备国产化提供强有力的技术保障。

同时，圆形港池聚焦波合成算法还完成了聚焦位置、高度、直径、圆度、垂直度等参数的精准控制，成功模拟生成了粗细可控的单峰聚焦、垂直度可控的偏心聚焦波、长短轴可控的椭圆聚焦波，满足科学试验对于真实极端恶劣海洋环境的模拟精准度需求。

其中，T(f_i,θ_j)是圆形港池造波机的传递函数，S(ω_i,θ_j)为组成波的频谱函数，不同波形对应不同的频谱函数，可按照规范查找。

本实施例中，设定组成波的离散频率f_i分布在[f₁,f_n]频率范围内,定义组成波的频率区间宽度Δf和中心频率f_c分别为：

波浪的波面特征表示为以下参数的函数：

基于以上算法，分别进行单峰聚焦波、椭圆聚焦波、偏心聚焦波、双峰聚焦波、旋转聚焦波、D形聚焦波的波浪算法编写，但每种聚焦波需要根据其特性分别考虑，主要在频率宽度、中心频率、聚焦时间、聚焦位置、聚焦波高等参数设置方面有所差别。

(1)、单峰聚焦波

圆形港池中，所有造波机的所有设置参数均相同，只需考虑单个造波机的参数设置。聚焦波的聚焦点位于圆形港池圆心处，聚焦位置为半径长度；设置合理的组成波频率宽度，使得组成波的频率变化范围更广，聚焦效率更高，适应性更强；设置合理的中心频率，使主要频率向低频靠拢，增加低频组成波的占比，聚焦效果更明显。

以上是指单个造波机的参数设置，所有造波机的所有设置参数均相同，根据单峰聚焦波对于频率相关参数的设置可应用于其它种类聚焦波。

在实际试验中，在仅0.3m水深条件下，利用珠科院圆形港池造波机，即可合成高达10m的单峰聚焦波，射流放大比例超过30倍(波高水深比)，能量极强、冲速极高，完全满足深水油气钻井平台、海上风机、船舶等结构可靠度及倾覆风险的模型试验研究需求。

在射流演变初期表现为上冲的光滑水柱，5m时水柱上部开始出现射流，7.5m时射流明显，最终射流达到9.7m时完全破碎，上冲射流的形成是一个高度非线性的现象，这说明造波过程得到了很好的控制，并且造波质量极高。

(2)、椭圆聚焦波

椭圆聚焦情况下，圆形港池中，所有造波机的聚焦位置有所不同，其余参数均相同。

将圆形港池的造波机划分为四组，根据不同区域的造波机设置不同的聚焦位置。以32个圆形造波机单元为例，将32个造波机分区成四部分，第1-6、28-32号造波机为一区，第7-11号造波机为二区，第12-22号造波机为三区，第23-27号造波机为四区。椭圆曲线上的点即为造波机的聚焦点，根据椭圆的长轴设置一区和三区造波机的聚焦位置，根据椭圆的短轴设置二区和四区造波机的聚焦位置。由此，聚焦形成的水柱横截面呈现椭圆的形状。

(3)、偏心聚焦波

偏心聚焦情况下，圆形港池中所有造波机的聚焦位置、聚焦波高有所不同，其余参数均相同。圆形港池采用笛卡尔坐标系，计算聚焦点(x_b,yb)与造波机间的距离作为聚焦位置。由于偏心使得靠近聚焦点附近的小扇形造波机产生的波浪场能量强，而远离聚焦点的大扇形造波机产生的波浪场能量弱，这导致两个区域的波浪场在到达聚焦点处聚焦时，聚焦水柱向能量弱的大扇形造波机方向倾斜。因此需要对部分造波机的聚焦波高做修正，使两片区域的波浪场能量大致相同，保证水柱垂直。

对距离聚焦点最远的那一或两个造波机的聚焦波高乘以某个大于1的修正系数，其余造波机按照远离该造波机的顺序依次线性递减至1，如此，圆形港池中波浪场的能量均匀分布，产生的偏心聚焦水柱也垂直而上。

或者采用延时聚焦的方法，使得靠近聚焦点的小扇形造波机在原来的聚焦时间的基础上，延长聚焦时间，同样可以实现垂直聚焦的效果。

设置聚焦波高修正系数的方法也可以用于控制聚焦水柱的倾斜度。在使水柱垂直的临界修正系数的基础上，设置修正系数小于该临界修正系数，则聚焦水柱向圆池外倾斜，若修正系数大于该临界修正系数，则水柱向圆池内倾斜。

(4)、双峰聚焦波

双峰聚焦情况下，与偏心聚焦相似，所有造波机的聚焦位置有所不同，其余参数均相同，但是要考虑两个聚焦点如何分配造波机的问题。采用笛卡尔坐标系，设计两个聚焦点(x_b1,y_b1)、(x_b2,y_b2)，采用造波机间隔控制的方法，以32个圆形造波机单元为例，令第1，3，5...31号造波机的聚焦点为(x_b1,y_b1)，第2，4，6...32号造波机的聚焦点为(x_b2,y_b2)，分别计算对应的聚焦位置。该方法可以避免波浪场能量分布不均匀的问题。

(5)、旋转聚焦波

旋转聚焦情况下，圆形港池中所有造波机的启动时间有所不同，其余参数均相同。设置所有造波机的聚焦波高、聚焦时间相同，聚焦位置在远离圆心一定距离处(即旋转圆周的半径)，在1号造波机的基础上，将其后的造波机的启动时间依次延长相同时间，使得每个造波机的聚焦时间都依次延迟，由此可产生旋转聚焦的效果。

以上是旋转一周的参数设置，若需连续旋转聚焦n次，则需要选取1号造波机中的部分造波数组(产生聚焦的主要数据)重复n次，并对首尾相接的一段数据进行平滑处理，将处理后的数据作为所有板的位移时间序列，然后，根据选取的造波数组长度设置相邻造波机启动间隔时间。由此可得到连续旋转n次的聚焦波。

(6)、图形类聚焦波

图形类聚焦情况下，圆形港池中所有造波机的聚焦位置有所不同，其余参数均相同。以32个圆形造波机单元为例，将图形置于圆形港池坐标系中，找出每个造波机在径向方向上所负责的聚焦点，共对应32个点。计算在径向方向上该点到造波机的距离，分别对应32个造波机的聚焦位置，以D形聚焦波为例，如图是字母D在圆形港池中的位置示意图。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.圆形港池全向聚焦波合成算法，其特征在于，利用波谱相位聚焦生成聚焦波，在空间与时间的聚焦点处，所有组成波均以零相位叠加形成聚焦波，由对所述聚焦波进行分析，反推得到圆形港池外周多个圆周状布置的造波板的位移曲线；

根据线性叠加理论，在任意点处波浪的自由面η(x,y,t)表示为不同频率和不同方向的规则波叠加的结果，如下公式(1)：

其中：a_ij是频率为f_i、方向角为θ_j的组成波波幅，k_i为组成波波数，

为组成波初相位，N_f和N_θ分别为组成波频率数和方向数；

组成波角频率ω_i和波数k_i满足线性色散关系，如下公式(2)：

其中：h圆形港池的水深；

设定波浪在指定时刻t＝t_b时聚焦于位置(x_b,y_b)，满足如下公式(3)：

各个组成波的初相位满足如下公式(4)：

波浪在指定时刻t＝t_b时的波高η(x,y,t)如下公式(5)；

设定圆形港池波造波机布置于x＝0m处，在圆形港池中指定位置(x_b,y_b)产生聚焦波，各个造波板的运动函数为如下公式(6)以及公式(7)：

其中，T(f_i,θ_j)是圆形港池造波机的传递函数，S(ω_i,θ_j)为组成波的频谱函数，Δω_i为组成波角频率的变化值，Δθ_j为组成波方向角的变化值。

2.如权利要求1所述的圆形港池全向聚焦波合成算法，其特征在于，设定组成波的离散频率f_i分布在[f₁,f_n]频率范围内,定义组成波的频率区间宽度Δf和中心频率f_c分别为：

波浪的波面特征表示为以下参数的函数：

η＝f[N_f,N_θ,a,f_c,Δf,(x_b,y_b),t_b,α,h] 公式(9)。

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