基于方向譜的短峰畸形波數值模擬研究

薛亞東，石愛國，張本輝，李 東

(海軍大連艦艇學院 航海系，遼寧 大連 116018)

基于方向譜的短峰畸形波數值模擬研究

薛亞東，石愛國，張本輝，李 東

(海軍大連艦艇學院 航海系，遼寧 大連 116018)

畸形波是海洋中存在的偶然性大波，其持續時間短但危害性極大，研究畸形波的生成及演化規律有重要的現實意義。基于方向譜，通過改進的相位調制方法，提出一種短峰畸形波的數值模擬方法，提高畸形波生成的概率，實現定時定點生成畸形波，并在 Matbab 語言環境實現數值仿真。仿真結果表明：改進的最大熵方法進行譜分析，與目標譜比對證明模擬結果吻合較好。

畸形波；方向譜；相位調制；Matlal

0 引 言

畸形波是海洋中高且陡的大波，其持續時間很短，但出現的偶然性和巨大的破壞性對船舶航運和海洋工程結構物等極具威脅[1]，因此畸形波越來越引起人們的關注，它的發生機理及工程應用問題已成為當前物理海洋學界和船舶水動力學界的一個研究熱點問題。

畸形波的數值模擬主要有線性方法和非線性方法兩種。畸形波模擬的非線性方法比較多見，大多數是基于非線性薛定諤方程來模擬畸形波。張運秋[5]基于修正的四階非線性薛定諤（mNLS）方程及偽譜數值方法建立了非線性波浪數值模型，模擬了邊帶擾動條件下和隨機波條件下畸形波的生成，取得了較好的模擬效果。

線性理論方面，多基于 Longuet-Higgins 模型[1]。黃國興[2]采用人工干預組成波的隨機初相位的方法得到包含畸形波的波列，但模擬效率比較低，而且不能控制畸形波生成的時間和地點。Kriebel[3]采用一個基本隨機波列和一個瞬態波列線性疊加的雙波列疊加模型模擬了畸形波；裴玉國[4]采用改進的雙波列疊加模型——三波列疊加模型優化了畸形波的模擬。但這 2 種模擬方法都基于瞬態波列，瞬態波列的能量所占的比例會影響整個模擬波列的譜的結構。

近年來，一些學者通過相位調制方法，在畸形波的數值模擬研究取得新進展。劉贊強[6]采用改進的相位調制方法來模擬畸形波，既滿足波浪序列的統計特性又可保持目標譜的結構，且模擬效率較高，是一種有效的模擬畸形波的方法。張本輝[7]在相位調制生成畸形波的同時考慮了艦船航速航向的影響，可以對艦

船在斜浪航行態勢下定時定點遭遇畸形波的非線性波浪環境進行數值建模。然而，這些數值模擬采用的靶譜都是頻譜，模擬的是長峰非規則波。而實測數據表明，現實的海浪多是短峰非規則波。因此本文研究以相位調制為手段，在 Matlab 語言環境下實現短峰畸形波的生成。

1 波浪數學模型

海浪是自然界中一種隨機現象，由于影響波浪的因素很多，而且相互關系非常復雜，即使在同一條件下，其呈現的波浪也不完全確定。對于這種隨機現象，欲尋找在某一時刻、一定地點波浪具體的特征值是不可能的，也無意義。但人們通過對海洋波浪的大量觀測，發現這一表面看起來極不規則的隨機波浪，實際存在著一定的規律性。波浪理論的發展經歷了從復雜到簡單，再從簡單到復雜的過程。人們統計海浪的波高周期等特征，采用單一頻率單一方向的波浪來表征特定情況的海浪，這樣做使得各種影響因素獨立清晰，易于分析各因素間的相互作用。隨著研究手段的日益發展及不斷出現的工程問題，使學者們逐步用單方向不規則波和方向譜不規則波來模擬海浪，進行工程應用和基礎理論研究。

1.1 規則波

在流體力學研究中，有多種形式的波浪模型，本文采用耐波性水池實驗中常用的平面進行波模型，也稱之為微幅波（Airy wave）模型。規則波的波高及速度方程為：

式中：η 為波高；A 為波幅；k 為波數；ω 為波浪圓頻率。

1.2 長峰不規則波

根據線性疊加原理，長峰不規則波可簡化為同一方向上無數個不同波幅、不同頻率和隨機初始相位的單元規則波線性疊加而成，各成分波的能量分布如圖 1所示，其波面及速度方程為：

圖1 長峰不規則波的譜密度分布Fig.1 Spectral density distribution of nagamine irregular waves

設波浪譜 S（ω）的能量絕大部分分布在 ωL～ωH范圍內，其余部分可根據精度要求進行取舍。頻率等分法是指在所取得頻率范圍劃分為 N 個區間，其間隔為 ?ω = ωi～ωi-1，設子波波高在取 ?ω 區間內不變且相等，則取

1.3 短峰不規則波

實際海面呈現的多為短峰不規則波，即波浪的方向是多向的，在時間上和空間上均不規則[8]。短峰不規則波可以看作是由多個頻率不等、方向不同、振幅變化且相位隨機的微幅簡諧波疊加而成的不規則波系，如圖 2 所示。

圖2 短峰不規則波子波疊加示意圖Fig.2 Superposition of short peak irregular wave wavelet

在空間位置（x，y）處，將多個振幅、頻率、方向、相位不同的微幅波線性疊加起來，則 t 時刻的波面高度可表示為：

這就是短峰波的波面方程。其中：對于第 i 個頻率、第 j 個方向的成分波而言，aij為波幅、εij為隨機相

位；ωi和 ki分別為第 i 個頻率的成分波的圓頻率和波數；θj為波浪沿 x，y 平面傳播并與 x 軸所成的夾角。方向譜譜密度函數 S（ω，θ）與波幅滿足下列關系：

方向譜還可表述為海浪頻譜 S（ω）和方向擴散函數 D（ω，θ）的乘積：

用方向譜來描述組成波的不同方向分布，如圖 3所示。

圖3 方向譜密度分布Fig.3 Directional spectrum density distribution

國際船舶結構會議（ISSC）建議采用以下 2 種 n值：本文采用第 1 種形式進行建模，即 n = 2 ，

2 基于方向譜的相位調制技術

劉贊強提出了一個改進的相位調制方法模擬畸形波。調制部分組成波的隨機初相位，使該部分組成波的波高在預定地點和預定時間為正，波浪在此疊加形成畸形波。本文在此基礎上，提出采用方向譜為靶譜進行相位調制，定時定點生成短峰非規則畸形波的方法，思路如下：

設在位置 x = xc、y = yc，t = tc時刻時生成畸形波，調制 εij使部分（或者全部）組成波在 x = xc，y = yc，t = tc時為正，則在此疊加的波高會增大。令組成波數 M = M1+ M2，則式（4）可以寫為：

在此，令后 M2個組成波的合成波波面在預定位置處聚焦出現大波，需要調制后 M2個組成波的初相位 θi，使時，令整數

調制 θi，使這樣此時由于在下述區間隨機取值：

調制θi, 使這樣

3 數值模擬及驗證

3.1 數值模擬方案

靶譜采用 Jonswap 譜，有義波高 H1/3= 0.1 m，譜峰升高因子 γ = 3.3，譜峰周期 Tp= 1.2 s，頻率范圍為子波個數為 30，即 M = 30，既能滿足生成畸形波的需求又盡可能地減少了計算量，采用高頻向低頻的調制方式。方向擴散個數為 13，區間（–π/2，π/2），等間距分布，其中主波向 180°；假設生成畸形波的預定位置和預定時間分別設為 xc= 4 m、yc= 0 m 和 tc= 10 s，在（x = 4 m，y = 0 m）設置浪高儀進行時歷監測。

雖然研究者對畸形波的定義存在分歧，但都不否認畸形波的波高大于 2.0 倍的有效波高。

本文采用 Hmax/H1/3≥ 2.0 作為畸形波定義的主要條件。

3.2 數值模擬結果

在 Matlab 語言環境下，根據以上數學模型進行數值模擬，得到 tc= 10 s 時刻瞬時波面如圖 4 所示。

從圖 4 可看出，該實驗成功模擬出短峰非規則波，并在預定位置生成了畸形波，圖 5 顯示預定位置處在 10 s 時刻，波高為 0.37，超過有義波高的 2 倍，說明出現了畸形波，達到了預期目標。

3.3 結果驗證

為了進行驗證，實驗過程中還在以（6，0）為圓心，以 0.5 倍的譜峰波長（L = 1.1）為半徑的圓上順時針每隔 72° 布設 5 個浪高儀[9]。如圖 6 所示

采用拓展的最大熵法（EMEP）對波高時歷進行譜分析[10]，得到模擬方向譜如圖 7 所示。將得到的模擬方向譜各參數與目標譜對比如表 1 所示。

圖4 tc = 10 s 瞬時波面圖Fig.4 Instantaneous skiodrome when tc= 10 s

圖5 x = 4 m，y = 0 m 位置波高時歷Fig.5 Wave height time series at x = 4 m, y = 0 m

圖6 浪高監測陣點布設Fig.6 The Arrangement of wave monitor

圖7 數值模擬得到的方向譜Fig.7 Numerical simulation of the spectrum direction

表1 模擬譜參數與目標參數值比對Tab.1 Comparison of simulated spectral parameters and target parameter values

從譜分析得到的結果來看，數值模擬的有義波高與目標值相對誤差是 7.8%，譜峰周期相對誤差 4.2%，主浪向相對誤差 –0.5%，模擬效果較好。

4 結 語

總體來看，本研究提出的在 Matlab 語言環境下生成短峰非規則畸形波的數值模擬方案，實現了在預定時間和位置生成畸形波的目的，且精度較高，為以后進行畸形波的 CFD 數值造波技術等研究提供了新思路。研究提出的相位調制方案，是在前人的基礎上進行修改，各參數的優化選擇如方向擴散個數、組成波個數等還需要后續實驗探索。

[1]俞聿修. 隨機波浪及其工程應用[M]. 大連: 大連理工大學出版社, 2003.

[2]黃國興. 畸形波的模擬方法及基本特性研究[D]. 大連: 大連理工大學, 2002.

[3]KRIEBEL D L. Efficient simulation of extreme waves in a random sea[C]//Abstract for Rogue Waves 2000 Workshops. Brest, France, 2000: 1–2.

[4]裴玉國. 畸形波的生成及基本特性研究[D]. 大連:大連理工大學, 2007.

[5]張運秋. 深水畸形波的數值模擬研究[D]. 大連: 大連理工大學, 2008.

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Numerical simulation of freak wave based on directional spectrum

XUE Ya-dong, SHI Ai-guo, ZHANG Ben-hui, LI Dong
( Department of Navigation, Dalian Naval Academy, Dalian 116018, China)

Abstract Freak wave is a kind of accidental wave in the sea with short duration but great harm, so that the research on the generation and evolution of freak wave has important practical significance. In this paper, based on the direction of the spectrum and improved phase modulation method, a numerical simulation method of short-peak freak waves was proposed, which increased the probability of freak wave and realized to generate freak waves in predetermined time and place, and in the Matbab language environment to achieve the numerical simulation. Simulation results show that the result of spectral analysis had good agreement with target spectrum though the maximum entropy method.

freak wave；directional spectrum；phase modulation；Matlal

U661.32

A

1672 – 7619(2016)11 – 0075 – 05

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.011.015

2016 – 01 – 25；

2016 – 03 – 02

總裝十二五裝備預研資助項目

薛亞東(1990 – )，男，碩士研究生，主要從事海浪環境仿真與數值建模。