量化分析三维畸形波内部结构

Freak wave is a type of large and short-lived water wave. Such wave has high energy density, which can bring serious damages to vessels, maritime structures and other facilities in the ocean.The research of the generation,evolution and internal structures of freak waves helps further explain the formation mechanism. In addition, the internal structures determine the external characteristics, and can describe the status and transfer of energy, so this research can contribute significantly to explaining the mechanism of the interaction between freak waves and structures.Most freak waves are three-dimensional in random sea states, therefore numerical simulation and model test techniques are used in the research on the genration, evolution, and relation between the internal structures (velocity, acceleration, potential energy, kinetic energy, rate of energy flow and time-frequency spectrum) and the external characteristics of three-dimensional freak waves,in order to quantitatively describe the internal structures according to the external characteristics.

畸形波是一种波高极大，持续时间很短，能量高度集中的灾难性波浪，能对船舶和海上工程结构等造成严重的危害。探究畸形波的生成、演化规律和内部结构特征将有助于进一步解释生成机理。此外，内部结构决定其外部特征，还描述了所具有的能量形态及能量传递过程，因此该项研究对于解明畸形波与结构物相互作用机理也有一定的指导意义。在随机波浪场中，多数畸形波具有三维特征，因此本项目拟结合数值模拟和模型试验技术，研究三维畸形波的生成、演化过程，及内部结构（包括速度场，加速度场；波浪势能，动能，能量流速率；时频能量谱等）与外部特征的关系，以期实现根据外部特征定量描述内部结构。

在真实海况中，多数畸形波具有短峰波的特性，模拟三维畸形波有助于分析其深层次本质特性，更具有代表性。因此本项目基于二次开发开源计算流体力学（CFD）软件包OpenFOAM中的非稳态不可压缩两相流求解器interFoam建立数值模型，增加了基于方向谱的三维造波边界和吸收边界，成功模拟了三维多向畸形波过程。通过与模型试验波面和目标谱对比，验证了数值模型模拟三维多向畸形波的有效性。分析了三维畸形波的生成、演化过程，及异常大波（包括畸形波）瞬时状态的内部结构特征。.主要结论有：1.水平和垂向网格尺度比值以及最大克朗数对三维畸形波的模拟结果影响较为显著；2.从能量角度描述畸形波的群性等特征更为合理，畸形波的内部能量结构研究非常必要；3.在本研究中，把从开始出现满足α1 = 2异常大波，到畸形波形成（满足α1>2，α1>2，α3>2和α4>0.65），再到演化为满足α1 = 2异常大波的过程定义为三维畸形波的生成、演化过程。4.基于方向谱的三维畸形波的生成、演化过程主要表现为，最大波浪并不是一直以自由水面形态向前传播，会发生“深谷”或者“准畸形波”与畸形波之间的转化，与二维畸形波的不同之处是不包含“连续大波”；5.三维畸形波生成、演化过程的空间范围在1.5~2.0倍有效波长，时间范围1.5~2.9倍有效周期与二维畸形波相比较小；6. 三维畸形波过程的瞬时方向谱显示，畸形波生成过程中，能量的方向分布范围加宽，各方向组成波仅在畸形波生成点附近位置有较高的波能汇聚程度，与二维畸形波明显不同。