基于双波群聚焦的畸形波形成机理分析

摘要

畸形波是一种包含在随机波列当中的单个异常大波浪，具有明显的非线性特征，持续时间短，能量集中，破坏力惊人。目前关于畸形波生成机理有多种假设，其能够解释特定条件下畸形波产生，但是不规则波列中畸形波产生机理，仍未得到明显直接的解释。本文通过对不规则波列大量畸形波的实验数据进行分析，得出了波群间相互作用是畸形波产生的重要机理。基于此机理，设计了双波群聚焦形成畸形波的实验，并通过小波变换、傅里叶变换以及组成波分离等方法，分析了畸形波产生过程中波群的演化特征、频谱特征、波群组成成分之间的高阶相互作用。并在此基础上，研究了波浪破碎的特性。 本文首先对单向不规则波列中畸形波的形成过程进行分析，观察和归纳畸形波产生机制。结果表明：畸形波在形成时，可能存在不同的机制，除了B-F不稳定性机制外，双波群作用也可以产生畸形波。 然后，利用两个单聚焦波群叠加，实验模拟了双波群聚焦产生畸形波的过程，并通过组成波分离的方法分析了波群间相互作用。实验结果分析表明：波群演化过程中，双波群间的三阶非线性作用对畸形波形成起到重要作用，其改变了波浪色散关系，增大聚焦波幅。并且波群谱峰频率宽度越小，三阶非线性作用越明显，表明波群间频率宽度越小，越容易产生畸形波。 最后，基于双波群聚焦机制开展波浪破碎实验，初步研究该机制下破碎波浪的特性。结果表明：在波群演化形成波浪破碎时，其破碎情况与两波群的中心频率之间宽度Df有关，当中心频率差别越大，聚焦位置前后会发生至多两次不同强度的破碎。且破碎过程中的能量损失主要来自高频波群，破碎后，波群演化能量重新分布，低频波群谱峰能量逐渐向高频波群转移，低频谱峰能量减小。两谱峰之间能量变化最显著，破碎时能量减小，破碎后波群演化过程中迅速恢复。 本文研究成果有助于进一步揭示不规则波列中畸形波产生和波浪成长机理。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 畸形波的定义及观测实例

1.2.2 畸形波的形成机理

1.2.3 波浪破碎特性的研究

1.3 本文的主要工作

2 单向不规则波列中畸形波生成机理的分析

2.1 畸形波机理分析归纳

2.1.1 畸形波生成机理——类型Ⅰ

2.1.2 畸形波生成机理——类型Ⅱ

2.2 本章小结

3 基于双波群聚焦机制的畸形波生成机理分析

3.1 双波群聚焦模拟聚焦波的生成方法

3.2 实验介绍

3.2.1 实验布置及实验过程

3.2.2 实验参数设置

3.3 实验结果分析

3.3.1 双波群聚焦中波群的演化

3.3.2 双波群聚焦的聚焦波幅和位置

3.3.3 双波群聚焦过程的小波能谱和频谱分析

3.3.4 双波群聚焦过程中波面相位变化

3.3.5 双波群聚焦过程中高阶成分分析

3.2.6 双波群聚焦过程中非线性色散关系分析

3.4 本章小结

4 双波群聚焦形成破碎波浪的特性研究

4.1 实验布置及实验条件

4.2 实验结果分析

4.2.1 双波群聚焦过程中波浪破碎情况

4.2.2 双波群聚焦破碎时波群的演化特征

4.2.3 双波群聚焦破碎过程中波面相位变化

4.2.4 双波群聚焦破碎时波群的小波能谱和频谱分析

4.2.5 双波群聚焦破碎时能量变化

4.3 本章小结

5 结论和展望

5.1 研究结论

5.2 研究展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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