基于海浪谱的三维非线性海浪模拟方法技术

本发明专利技术公开了一种基于海浪谱的三维非线性海浪模拟方法，具体步骤如下：步骤S1：设置仿真场景；步骤S2：计算非线性控制参数δ,计算公式如下：其中，α和β均为相对应的海浪频率谱S(ω)的有关常数；步骤S3：计算海浪频率方向谱S(ω,θ)；步骤S4：计算频率ω和波向角θ的分段节点数值和间隔；步骤S5：确定三维非线性海面波高模型η；步骤S6；将场景参数代入三维非线性海面波高模型η中产生模拟三维波高序列。采用上述一种基于海浪谱的三维非线性海浪模拟方法，模型中含有非线性控制参数，与具体海面状态相关，可以根据仿真场景调节组成波波形，模拟不同非线性程度的三维海浪，符合实际海浪特征。符合实际海浪特征。符合实际海浪特征。

【技术实现步骤摘要】
基于海浪谱的三维非线性海浪模拟方法


[0001]本专利技术涉及海洋遥感模拟场景构建
，尤其是涉及一种基于海浪谱的三维非线性海浪模拟方法。

技术介绍

[0002]在海洋遥感领域，能够获取的实测数据有限，因此需要用模拟数值作补充，为海浪反演等研究提供数据。目前海浪模拟方法主要有基于物理和基于构造的两类方法。基于物理的方法通过求解N
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S方程组得到流体质点在各时刻的状态从而生成海浪，仿真结果精确，但计算量大不适合用于产生几百甚至上千平方米范围的模拟海浪。基于构造的方法通过数学模型构造海浪，其中基于海浪谱的方法通过波高的统计特征确定波形，仿真效果逼真且计算量适中，适合用于仿真大范围的模拟海面。
[0003]基于海浪谱的方法将海浪看作随机过程，把海洋波动近似为由多个振幅不同、频率不同、相位杂乱的线性波形叠加的结果，同时要求海浪能量分布与海浪谱模型吻合。基于海浪谱的方法以谱模型作为海浪波形构建的约束条件，海洋遥感是从图像或回波信号的统计参数中提取海浪信息，二者都关注海浪的统计特性，因此基于谱的海浪模拟方法更适合应用于海洋遥感领域模拟数据的生成。
[0004]在基于海浪谱的模拟中，以正弦波为组成波的线性叠加模型直观简洁且易于实现，适用于大范围海浪模拟。但实际海浪受多种动力学因素影响，组成波的形状偏离正弦波，因此有多位学者开展了非线性波浪的相关研究。丁平兴等在精确导出任意均匀水域上三维随机波动一阶解、二阶解的基础上，更严密、更合理地重新推导了波面高度分布的偏度与二阶功率谱的理论表达式,并首次给出了有限水深波面二阶谱的理论形式。Nin等利用源造波技术对无限水深的完全非线性波浪进行了数值模拟研究。Bai和Taylor采用高阶边界元方法在数值波浪水槽中模拟造波板实时运动产生波浪，分别对完全非线性规则波、聚焦波与垂直圆柱相互作用问题及完全非线性波浪对固定和漂浮结构物作用问题进行了模拟。波高在统计特性方面的表现为，线性叠加模型的波高服从正态分布，而实际海浪波高则偏离正态分布。Kinsman最先使用 Gram
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Charlier级数拟合海浪波面高度的统计分布；Longue
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Higgins解释了这种拟合的依据，从理论上给出了Edgeworth形式的Gram
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Charlier级数；孙孚依据线性海浪模式和波动射线理论导出了波高分布；Ochi等使用变换关系ζ＝lnH将波面高度ζ所服从的高斯分布转换为有效波高H的对数—正态分布；侯一筠等在变换ζ＝lnH的基础上引入非线性形状参数β，采用变换关系ζ＝lnH/β将其推得的波面高度分布转换为一种非线性有效波高的分布。
[0005]非线性波的统计特性被证实更接近于真实海浪，因此用非线性的有限振幅波代替微幅波作为组成波模拟波浪，产生了很多研究成果。王岚等通过采用基于JONSWAP谱的线性滤波并依据β分布特性进行非线性修正的方法对深水无破碎二维非线性海浪进行数值模拟；焦甲龙等在正弦波的表达式中引入一些修正系数,得到一种非线性水波自由面模型，通过确定其修正系数可以快速高效地模拟非线性水波自由面。日本学者Tsuchiya，Yasud提出
用孤立波作为子波模拟非线性不规则波，并取得了良好的结果，肖波等采用椭圆余弦波作为组成波建立了浅水不规则波的随机模型。在这个研究分支中，采用斯托克斯波作为组成波的模型，因其精准的模拟效果而得到持续性研究。斯托克斯波是非线性重力波的一种波动解，这种波动是斯托克斯于1847年提出的，同时给出了两个关键性的结论：第一，在非线性系统中，上下不对称的周期波列是可能的；第二，弥散关系与振幅有关。瑞利自1876年以后，采用将流场化成定常流场的复势函数方法，通过逐级近似，求得了各阶Stokes波弥散关系和波面函数，形成了经典斯托克斯波理论。沈正等1993年给出了深水三阶托斯托克斯波的一种新的近似解，得到了与经典三阶以上斯克斯波不同弥散关系和波面函数，并且证明了与经典的复势解法相比逼近程度更优。薛亚东等2017年提出基于三阶斯托克斯波的海浪数值模拟方法，并通过实测数据验证了模型的有效性。
[0006]现有的非线性模型虽然在线性波模型的基础上进行了改进，能够满足波高偏离正态分布的特征，但采用的非线性波形状与具体海况无关，导致模拟波面的非线性程度不会随仿真场景设定的改变而变化。而现实中不同场景中，由于海况、水深等因素的影响，不同场景海浪的非线性程度不同，模拟海浪的波形需要与具体的仿真场景设定参数(如风速等)建立联系，因此需对现有模型进行改进。

技术实现思路

[0007]本专利技术的目的是提供一种基于海浪谱的三维非线性海浪模拟方法，模型中含有非线性控制参数，该参数与仿真场景设定的具体参数有关(如风速等)，可以根据仿真场景对波形进行调节，形成与输入参数对应的三维非线性海浪模型，使不同设定场景的模拟海浪具有不同的非线性程度，符合真实海浪的特征。
[0008]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于海浪谱的三维非线性海浪模拟方法，具体步骤如下：
[0009]步骤S1：设置仿真场景，确定海浪频率谱S(ω)和方向分布函数G(ω,θ)类型，确定输入参数U；
[0010]步骤S2：计算非线性控制参数δ,计算公式如下：其中，α和β均为相对应的海浪频率谱S(ω)的有关常数；
[0011]步骤S3：计算海浪频率方向谱S(ω,θ)；
[0012]步骤S4：计算频率ω和波向角θ的分段节点数值和间隔；
[0013]步骤S5：确定三维非线性海面波高模型η；
[0014]步骤S6：将场景参数代入三维非线性海面波高模型η中产生模拟三维波高序列。
[0015]优选的，在步骤S1中，设置仿真场景，步骤S1具体为：
[0016]步骤S11：根据模拟需求，选择确定类型的海浪频率谱S(ω)和方向分布函数G(ω,θ)，其中，ω表示圆频率，θ表示波向角；
[0017]步骤S12：根据S11中选择的海浪频率谱S(ω)和方向分布函数G(ω,θ)，设置模型所需的输入参数，输入参数与海浪频率谱S(ω)相对应。
[0018]优选的，海浪频率谱
[0019]其中，g＝9.8m/s2,U为输入参数风速,α为表征波高及平均周期有关的常数，β为与平均周期和U有关的常数。
[0020]优选的，在步骤S2中，计算非线性控制参数δ，步骤S2具体为：
[0021]步骤S21：根据S12中确定的海浪频率谱S(ω)，计算谱的零阶矩m0，计算公式如下：
[0022]即
[0023]步骤S22：计算步骤S12中海浪频率谱S(ω)对应的波数谱S(k)形式，计算公式如下：
[0024][0025]其中，k
m
＝363rad/m，g＝9.8m/s2；
[0026]步骤S23：计算波数谱峰对应的波数k
p
，计算方法如下：
[0027]k
p
为时k的取值，
[0028]步骤S24：计算非线性控制参数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于海浪谱的三维非线性海浪模拟方法，其特征在于,具体步骤如下：步骤S1：设置仿真场景，确定海浪频率谱S(ω)和方向分布函数G(ω,θ)类型，确定输入参数U；步骤S2：计算非线性控制参数δ,计算公式如下：其中，α和β均为相对应的海浪频率谱S(ω)的有关常数；步骤S3：计算海浪频率方向谱S(ω,θ)；步骤S4：计算频率ω和波向角θ的分段节点数值和间隔；步骤S5：确定三维非线性海面波高模型η；步骤S6：将场景参数代入三维非线性海面波高模型η中产生模拟三维波高序列。2.根据权利要求1所述的一种基于海浪谱的三维非线性海浪模拟方法，其特征在于，在步骤S1中，设置仿真场景，步骤S1具体为：步骤S11：根据模拟需求，选择确定类型的海浪频率谱S(ω)和方向分布函数G(ω,θ)，其中，ω表示圆频率，θ表示波向角；步骤S12：根据S11中选择的海浪频率谱S(ω)和方向分布函数G(ω,θ)，设置模型所需的输入参数，输入参数与海浪频率谱S(ω)相对应。3.根据权利要求2所述的一种基于海浪谱的三维非线性海浪模拟方法，其特征在于：海浪频率谱其中，g＝9.8m/s2,U为输入参数风速,α为表征波高及平均周期有关的常数，β为与平均周期和U有关的常数。4.根据权利要求3所述的一种基于海浪谱的三维非线性海浪模拟方法，其特征在于，在步骤S2中，计算非线性控制参数δ，步骤S2具体为：步骤S21：根据S12中确定的海浪频率谱S(ω)，计算谱的零阶矩m0，计算公式如下：即步骤S22：计算步骤S12中海浪频率谱S(ω)对应的波数谱S(k)形式，计算公式如下：其中，k
m
＝363rad/m，g＝9.8m/s2；步骤S23：计算波数谱峰对应的波数k
p
，计算方法如下：k
p
为时k的取值，步骤S24：计算非线性控制参数δ，计算公式如下：δ＝m0·
k
p
，即
5.根据权利要求4所述的一种基于海浪谱的三维非线性海浪模拟方法，其特征在于，在步骤S3中，根据选择的频率谱S(ω)和方向分布函数G(ω,θ)，构成海浪频率方向谱S(ω,θ)，海浪频率方向谱S(ω,θ)的计算公式如下：S(ω,θ)＝S(ω)
·
G(ω,θ)。6.根据权利要求5所述的一种基于海浪谱的三维非线性海浪模拟方法，其特征在于，在步骤S4中，计...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗丰，冯瑶，廖桂生，田敏，张林让，马宇飞，吴云松，黄略家，朱加豪，
申请(专利权)人：西安电子科技大学杭州研究院，
类型：发明
国别省市：