多向不规则波浪的确定性物理模拟方法研究

The accurate physical simulation of waves is the key problem for the study of wave propagation and wave action on the ocean structures. The present wave simulation in laboratory is achieved through the wave making system, whose control signal can be calculated based on the given wave parameters. But the elevation of the generated waves is random. However, the simulated waves in wave flume and wave basin are required to conform exactly to the given time series sometime. That means the wave maker signal should be calculated according to the reproduction of the known wave elevation series. Thus the deterministic wave simulation should be realized. But the research on the simulation method are rare. Therefore, in the applied project, the method for the wave reproduction of multidirectional wave time series will be established based on theoretical and numerical analysis. Further, the deterministic wave simulation method in wave flume and wave basin will be developed considering the wave nonlinearity and spatial non uniformity combining with the properties of wave making system and wave nonlinear transformation. The corresponding applicable software will be established. The research results can promote the accuracy of the corresponding physical wave experiments.

在实验室中精确模拟所需的波浪是开展波浪传播特性以及波浪对海洋工程建筑物作用研究的关键，但是目前关于实验室波浪的模拟均是根据给定波浪的统计参数，计算造波机的控制信号，从而产生与给定波浪统计参数一致的波浪场。但是这样模拟的波浪场的波动过程是随机的。而在实际物理模型试验中，往往需要在实验室水槽或水池中产生与给定的波浪波动时间过程完全一致的模拟波浪，即需要通过给定的波浪时间过程，进行反演计算，得到造波机的造波信号，实现确定性的波浪模拟。但这方面的研究还很不成熟。因此本项目的主要研究内容是基于波浪传播的理论和数值分析，建立基于给定多向不规则波浪时间过程进行数值反演计算的方法，在此基础上，考虑波浪的非线性和三维波浪空间上的不均匀性，结合造波机以及非线性波浪的传播特性，建立在物理水槽和水池内进行不规则波确定性物理模拟的方法，形成可实用的造波软件，从而进一步提高海洋工程物理模型试验研究的精度。

精确模拟所需的波浪是开展波浪传播特性以及波浪对海洋工程建筑物作用研究的关键，但是目前关于波浪的数值模拟和物理模拟均是根据给定波浪的统计参数，计算造波机造波信号或数值造波边界条件，产生与给定波浪统计参数一致的波浪场。但是这样模拟的波浪场的波动过程是随机的。而在实际物理模型试验或数值水池模拟时，往往需要基于给定的特定位置处的波浪时间过程，进行“反向模拟”，即通过给定的波浪时间过程，进行反演计算，得到造波机或数值水池造波边界信号，在水池中产生所期望的不规则波波动过程，实现确定性的波浪模拟。因此本项目针对给定的波浪波面过程，研究建立了二维不规则波浪的数值反演技术，并分别采用线性造波理论和非线性造波理论，建立了二维波浪的确定性模拟方法，从而可以在水槽特定位置，产生与给定波浪过程一致的波浪场；对于多向不规则波浪，基于给定特定区域多点多向不规则波浪的时间过程，建了立多向不规则波浪的数值反演技术，并进一步建立了多向不规则波浪的物理和数值水池确定性模拟技术，可为数值或物理模拟确定性的波浪提供基础。