双向波列非线性相互作用的数值研究

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非线性相互作用作为波浪的一个重要特征，是海洋表面波一种极为常见的物理现象，也是水波动力学的关键问题之一。目前波浪非线性相互作用的研究，大都将其简化为二维条件下进行。事实上，实际海洋中的波浪具有明显的方向特性，因此研究三维波浪相互作用更具有实际意义。然而，到目前为止，完全三维波浪的研究仍具有较大难度。鉴于此，本文使用非静压自由表面流模型，建立了“X”型数值波浪水槽，进而对两列以特定夹角传播的波列的非线性相互作用进行了系统的研究，这既是对前人二维研究的拓展，也可为完全三维波浪非线性相互作用问题的研究提供一定的经验和基础。通过模拟不同夹角情况下规则波波列间的相互作用，发现规则波波列间的相互作用过程与波列夹角密切相关。角度越大，波列间的非线性相互作用越强，作用过后波列的三维特性也越显著。随后本文模拟了双向聚焦波群间的相互作用，并通过波幅统计、能量计算、速度剖面、频谱分析等多种方法研究了波陡、角度等因素对聚焦波非线性作用过程的影响。通过分析，发现波列夹角越大，聚焦波群间的非线性作用越强，波幅及能量增长也越快，这与规则波结论相一致。速度剖面分析结果表明，水平方向上，当波峰刚进入作用区时，波峰下速度整体呈相向趋势，且中间速度大于两侧速度。而当波峰经过作用区中心后，波峰下速度方向则由相向变为相离。沿水深方向上，无论是二维还是三维条件下，在波群聚焦过程中波峰都会向前倾斜，峰前速度大于峰后速度，聚焦过后，波峰则会向后倾斜，峰前速度小于峰后速度。相对于二维情况，三维条件下波浪相互叠加、作用所形成的波峰则更大、更陡。此外，角度也会影响波峰形状，波列角度越大时，波峰前倾及后倾幅度也会相应增加。能量计算结果表明整个波群的势能和动能在初始阶段基本保持一致，但随着波群相互叠加并发生剧烈的相互作用，势能和动能在总波能中的占比不再保持一致，而是随着波群的传播交替领先。相较于初始波陡，波列夹角对作用区内势能和动能的影响更明显。角度越大，非线性作用越强，势能和动能震荡也越剧烈。频谱分析结果表明三维条件下聚焦波在聚焦过程中会出现非线性能量转移，主频附近的能量会向低频和高频区域转移（大部分转移到高频区域），聚焦过后，能量会逐渐回移。除此之外，三维聚焦波群相互作用还会导致作用区下游的波群出现明显的三维特性（主要是高频能量的增多），且其三维特性与波列夹角及初始波陡有关。波列夹角及波陡越大，作用区下游波群的三维特性越显著，高频能量的回移所需距离(时间)也越长。

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作者
刘威;
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作者单位

大连理工大学;

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授予单位大连理工大学;
学科港口、海岸及近海工程
授予学位硕士
导师姓名马玉祥;
年度 2018
页码
总页数
原文格式 PDF
正文语种中文
中图分类临床医学;
关键词
双向波; 非线性相互作用;

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