多向不规则波列中畸形波生成机理及其概率研究

Previous studies on the freak waves are focused on two-dimensional unidirectional waves, while real waves in ocean are multi-directional waves. Wave direction distribution has significant influence on freak generation mechanism and its occurrence probability. However, there is lack of comprehensive researches in this area. In this project, the freak wave generation mechanisms and its occurrence probability in multi-directional wave trains are investigated, considering the influence of wave direction on the freak wave generation. The interactions between regular wave trains and oblique sideband perturbations, focusing of monochromatic wave trains and multi-directional irregular waves are simulated by numerical and experimental methods. The freak wave generation mechanisms are investigated. The influence of wave direction distribution on freak wave generation mechanisms is determined. The freak wave occurrence probability distribution function is established based on the wave characteristic parameters. The results can explain the relations between the freak waves generation and oceanic conditions, and predict the probability of freak wave generation under different oceanic conditions. They provide the basis for the marine engineering design and safety assessment.

目前关于畸形波的研究多限于二维单向波浪，而实际波浪是多向的不规则波浪，波浪的方向分布对畸形波的生成机理和发生概率具有显著的影响，但这方面仍缺少全面、系统的研究。本课题考虑波浪方向分布对畸形波生成的影响，采用数值和物理模拟两种手段，对多向不规则波列中畸形波的生成机理和发生概率开展研究。通过对规则波与斜向边带扰动作用和单色波列的聚焦，以及多向不规则波浪的长时间模拟研究，揭示多向不规则波列中畸形波的生成机理；明确方向分布对畸形波生成机理的影响；建立以波浪特征参数为参量的畸形波概率分布函数。课题研究成果可揭示畸形波的产生与环境因素之间的关系，能够对实际海况条件下畸形波的生成概率进行预测，进而更好地为海上建筑物的安全评估和结构设计提供依据。

畸形波是海洋中一类比较特殊的灾害性波浪，它对人类的海上贸易、海洋资源开发等活动构成了极大的威胁。为了揭示实际海洋中畸形波的形成原因，确定畸形波的生成概率及其与波浪条件之间的关系，进而更好地为海上活动的安全评估和海洋结构设计提供依据，本课题对多向不规则波列中畸形波的生成及其发生概率进行深入系统的研究。. 首先，针对二维随机波浪中的畸形波开展研究，分析了不同波浪参数对波高分布的影响，特别是BFI参数的影响。结果表明了当BFI参数增大时，波列变得不稳定，大波出现概率明显的增大；通过观察畸形波形成过程，利用小波变换分析能量的变化，发现在畸形波形成过程中，波群间作用发挥了重要的作用；据此提出了新的双波群叠加的畸形波形成机理；并利用群性参数定义了新的表征畸形波出现概率的指标。. 其次，对三维随机波浪中的畸形波开展研究，分析了不同波浪参数，特别是方向分布和水深对畸形波生成的影响。结果表明了方向分布和水深对畸形波的出现有显著地影响，当方向分布变窄，水深较深时，大波的出现概率明显增大，意味着在这种海况下畸形波更容易出现。同时，对三维情况下畸形波的产生机理进行了分析，结果表明当方向分布较窄时畸形波产生与二维情况相同，当方向分布变宽时，不同方向的波浪聚焦是畸形波产生的主要原因。. 然后，通过高阶谱（HOS）方法建立数值模型，针对提出的双波群聚焦的方法开展研究，分析了聚焦过程中的能量变化，结果表明了三阶非线性在二维畸形波产生过程中起到了重要作用。. 最后，对课题研究作了初步地扩展，通过数值方法研究了地形对不规则波浪传播的影响，为研究地形对畸形波影响打下基础。. 课题完成了预计的研究内容，研究成果将有助于理解实际海洋中畸形波的产生，可用于分析极限大波的出现概率，同时对海洋工程设计和安全评估具有一定的参考意义。