CN117288420A - 一种在均匀流中生成双波群聚焦波的造波造流方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在均匀流中生成双波群聚焦波的造波造流方法，包括以下步骤，根据选定的波浪参数与聚焦参数获得单波群聚焦波面，通过线性造波理论计算出多个相位的造波信号；将多个相位的造波信号输入造波机，并通过相位分离的方法得到线性项波面；对线性项波面的振幅谱与谱峰相位进行迭代修正，消除单波群聚焦位置和聚焦时间的偏移，得到修正后的造波信号；将两个修正后的单波群造波信号及其线性叠加输入造波机，并引入稳定的均匀流，得到双波群与流相互作用的波浪场。通过该方法可以修正单波群聚焦波浪聚焦位置的偏移，实现双波群聚焦波浪的聚焦，能够对双波群聚焦波浪和流的相互作用进行模拟。
Description
技术领域
本发明涉及极端波浪技术领域，具体为一种在均匀流中生成双波群聚焦波的造波造流方法。
背景技术
当台风过境时，台风引起的风浪系统和从远处传来的涌浪系统会导致双波群波浪的产生。此时在风-浪-流联合作用的复杂海况下，极端波浪会更为频繁的产生，对人类的海洋活动安全造成严重威胁。因此，亟需对风浪流联合作用下的复杂海况极端波浪的生成演化机理进行研究。
波浪的时空聚焦是导致极端波浪生成的重要原因之一。因此，聚焦波和流的相互作用被用来研究复杂环境下极端波浪的演化。目前，主要通过单波群聚焦波浪对实际海洋中的波浪时空聚焦进行模拟。虽然，对极端波浪的生成演化机理做出了一定的解释。但是，缺少对实际海况中风浪耦合产生双波群情况时的研究。探明双波群和流相互作用中极端波浪的生成演化机理，能更真实地解释风浪流联合作用下极端波浪的产生原因，对拓展波浪理论具有重要意义。由于现有的产生聚焦波浪的方法存在聚焦点的非线性偏移这一问题，无法直接用来模拟双波群聚焦波浪的生成，难以更真实地模拟实际海洋中极端波浪地生成，缺少针对双波群聚焦波与流相互作用的情况进行研究。
因此，急需寻求一种在均匀流中生成双波群聚焦波的造波造流方法，为阐释风浪流联合作用的复杂实际海况中的极端波浪生成演化机理提供基础。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明的目的是：提供一种在均匀流中生成双波群聚焦波的造波造流方法，通过该方法可以修正单波群聚焦波浪聚焦位置的偏移，实现双波群聚焦波浪的聚焦，能够对双波群聚焦波浪和流的相互作用进行模拟。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种在均匀流中生成双波群聚焦波的造波造流方法，包括以下步骤，
根据选定的波浪参数与聚焦参数获得单波群聚焦波面，通过线性造波理论计算出多个相位的造波信号；
将多个相位的造波信号输入造波机，并通过相位分离的方法得到线性项波面；
对线性项波面的振幅谱与谱峰相位进行迭代修正，消除单波群聚焦位置和聚焦时间的偏移，得到修正后的造波信号；
将两个修正后的单波群造波信号及其线性叠加输入造波机，并引入稳定的均匀流，得到双波群与流相互作用的波浪场。
进一步，线性项波面的获取方式为，利用造波理论计算出相位分别为0，π/2，π和3π/2的造波信号；将四相位造波信号输入造波机，得到对应的四相位波面，通过以下方式计算得到线性项波面，
η＝Re{A11eiθ+A20+A22ei2θ+A31eiθ+A33ei3θ+A40+A42ei2θ+A44ei4θ}+O(A5) (1)
式中，S0，S1，S2，S3分别为二阶差频和四阶，线性，二阶和频，三阶项波面；η0，η90，η180，η270分别代表相位为0，π/2，π和3π/2的波面。
进一步，采用两根浪高仪进行线性项波面的迭代修正。其中一根浪高仪放置在造波板前，此时波列还未发生演化变形，因而可以对其进行波幅修正。另一根浪高仪放置在设定的聚焦位置处，通过浪高仪测得波面的相位和理论相位的差值进行相位修正。过程如下：
式中，α代表组成波波幅，φ代表组成波相位，上标n代表迭代次数，下标i，t，o分别代表输入，目标，输出。进一步，对不同参数的双波群聚焦波进行模拟，其中，双波群参数的定义为：
式中，SSER，ID，Tz分别为风涌浪能量比，频率间隔和平均跨零周期，m0代表0阶谱矩，Hs代表有义波高，下标1和2分别代表涌浪波群和风浪波群。
进一步，单波群聚焦波面为：
式中，η为总波面，αi是组成波的波幅，ki是组成波的波数，fi是组成波的频率，N是组成波的数量，xb是聚焦位置，tb是聚焦时间。
进一步，在x＝0位置处，可以得到造波信号为：
式中，S为造波信号，造波传递函数Ti为：
式中，d为水深。
进一步，对线性项波面采用快速傅里叶变化，得到对应的振幅和相位，通过和输入振幅和相位的对比，进行迭代修正，过程如下：
式中，上标n代表迭代次数，下标i，t，o分别代表输入，目标，输出。
总的说来，本发明具有如下优点：
1.通过四相位分离和线性项迭代修正的方法，消除了单波群聚焦时产生的聚焦位置的偏移。再将单波群信号叠加，保证双波群聚焦的准确性。
2.在修正过程中仅需要两根浪高仪即可完成聚焦双波群的生成，方法简便，快捷。
3.在双波群的聚焦演化过程中引入均匀流场，可以实现对复杂海洋环境下极端波浪生成演化机理的研究。
附图说明
图1是产生双波群和流相互作用的造波造流方法的流程图。
图2是水槽的布置与基本参数。
图3是双波群的振幅谱。
图4是理论波面和生成的修正后单波群和双波群波面的对比。
图5是不同流场下的双波群聚焦波面。
图6是不同流场下双波群聚焦波面的偏移。
图7是不同流场下双波群聚焦波面波峰的变化。
具体实施方式
下面来对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，一种在均匀流中生成双波群聚焦波的造波造流方法，包括以下步骤，
选定模拟的双波群参数和对应的两个单波群波浪参数，确定聚焦时间和聚焦位置。根据线性叠加原理，单波群聚焦波面可以写为：
式中，η为总波面，αi是组成波的波幅，ki是组成波的波数，fi是组成波的频率，N是组成波的数量，xb是聚焦位置，tb是聚焦时间。
在x＝0位置处，可以得到造波信号为：
式中，S为造波信号，造波传递函数Ti为：
式中，d为水深。
计算出相位分别为0，π/2，π和3π/2的造波信号，并输入造波机，得到相应的聚焦波面。采用四相位分离法得到其线性项波面，表达式为：
式中S0，S1，S2，S3分别为二阶差频和四阶，线性，二阶和频，三阶项波面。η0，η90，η180，η270分别代表相位为0，π/2，π和3π/2的波面。
对线性项波面采用快速傅里叶变化，得到对应的振幅和相位，通过和输入振幅和相位的对比，进行迭代修正，过程如下：
式中上标n代表迭代次数，下标i，t，o代表输入，目标，输出。当输入出振幅和相位与目标目标振幅和相位间的误差足够小时，即可完成迭代。
重复上述工作直到两个单波群均完成修正，将两个单波群的造波信号线性叠加，可得到双波群的造波信号。
在水槽中引入均匀流，并将双波群造波信号输入均匀流中，即可得到双波群与流相互作用的波浪场。
具体地，进行模拟的水槽长32m，宽1m，水深1m，具体水槽设置见图2。选取的目标双波群波浪参数和流场参数见表1双波群波浪参数表和表2流场参数表。其振幅谱见图3。选取聚焦时间为50s，聚焦位置为15m，采样时长为100s，采样间隔0.02s。
表1
表2
首先，对波群1进行修正，计算出波群1的理论四相位波面，并得到造波信号。将造波信号输入造波机，测得波群1在聚焦位置和靠近造波板位置处的四相位波面。采用四相位分离的方法，得到线性项波面，再利用快速傅里叶变化得到其振幅谱和相位，进行迭代修正。
对波群2采用同样的方法，得到修正后的波群1和波群2的造波信号，再将其线性叠加，得到双波群聚焦波面见图4。可以看出波群1+波群2与二阶理论拟合良好，说明此迭代方法可以对聚焦位置的偏移进行修正，并且不会对其高阶成分的演化产生影响。双波群波面远大于波群1+波群2和二阶理论波面，说明此方法实现了双波群的聚焦，使得更强烈的非线性作用发生，导致波面进一步的极端升高。
此时，引入均匀流，波面变化见图5，聚焦位置变化见图6，聚焦波幅变化见图7。可以看出，采用此造波造流方法生成的双波群聚焦波和流的相互作用可以被很好的观测。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种在均匀流中生成双波群聚焦波的造波造流方法，其特征在于：包括以下步骤，
根据选定的波浪参数与聚焦参数获得单波群聚焦波面，通过线性造波理论计算出多个相位的造波信号；
将多个相位的造波信号输入造波机，并通过相位分离的方法得到线性项波面；
对线性项波面的振幅谱与谱峰相位进行迭代修正，消除单波群聚焦位置和聚焦时间的偏移，得到修正后的造波信号；
将两个修正后的单波群造波信号及其线性叠加输入造波机，并引入稳定的均匀流，得到双波群与流相互作用的波浪场。
2.根据权利要求1所述的一种在均匀流中生成双波群聚焦波的造波造流方法，其特征在于：线性项波面的获取方式为，利用造波理论计算出相位分别为0，π/2，π和3π/2的造波信号；将四相位造波信号输入造波机，得到对应的四相位波面，通过以下方式计算得到线性项波面，
η＝Re{A11eiθ+A20+A22ei2θ+A31eiθ+A33ei3θ+A40+A42ei2θ+A44ei4θ}+O(A5) (1)
式中，S0，S1，S2，S3分别为二阶差频和四阶，线性，二阶和频，三阶项波面；η0，η90，η180，η270分别代表相位为0，π/2，π和3π/2的波面。
3.根据权利要求1所述的一种在均匀流中生成双波群聚焦波的造波造流方法，其特征在于：线性项波面的迭代修正过程如下：
式中，α代表组成波波幅，φ代表组成波相位，上标n代表迭代次数，下标i，t，o分别代表输入，目标，输出。
4.根据权利要求1所述的一种在均匀流中生成双波群聚焦波的造波造流方法，其特征在于：对不同参数的双波群聚焦波进行模拟，其中，双波群参数的定义为：
式中，SSER，ID，Tz分别为风涌浪能量比，频率间隔和平均跨零周期，m0代表0阶谱矩，Hs代表有义波高，下标1和2分别代表涌浪波群和风浪波群。
5.根据权利要求1所述的一种在均匀流中生成双波群聚焦波的造波造流方法，其特征在于：单波群聚焦波面为：
式中，η为总波面，αi是组成波的波幅，ki是组成波的波数，fi是组成波的频率，N是组成波的数量，xb是聚焦位置，tb是聚焦时间。
6.根据权利要求1所述的一种在均匀流中生成双波群聚焦波的造波造流方法，其特征在于：在x＝0位置处，可以得到造波信号为：
式中，S为造波信号，造波传递函数Ti为：
式中，d为水深。
7.根据权利要求1所述的一种在均匀流中生成双波群聚焦波的造波造流方法，其特征在于：对线性项波面采用快速傅里叶变化，得到对应的振幅和相位，通过和输入振幅和相位的对比，进行迭代修正，过程如下：
式中，a代表组成波波幅，φ代表组成波相位，上标n代表迭代次数，下标i，t，o分别代表输入，目标，输出。
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