不规则海浪的仿真

拟像到模拟的过程举例说明
假设我们要通过计算机模拟一个波浪在海洋上的运动过程。

拟像到模拟的过程可以分为以下几个步骤：
1. 定义物理模型：首先，我们需要定义波浪的物理模型。

这包括确定波浪的传播方程和边界条件。

对于波浪在深水中的传播，常用的模型是线性波浪理论，其中的传播方程可以用线性波动方程表示。

2. 空间离散化：为了进行计算机模拟，我们需要将波浪的传播区域进行离散化。

这通常是将海洋区域划分为一个二维网格，并在每个网格点处记录波浪的高度、速度等信息。

3. 时间离散化：类似地，我们也需要将时间进行离散化。

通常情况下，我们将波浪的运动过程分为一系列的时间步，并在每个时间步更新网格点处的波浪信息。

4. 进行计算：在每个时间步内，我们根据物理模型和边界条件来计算波浪的传播。

这包括计算波浪的传播方向、速度以及相邻网格点之间的相互作用等。

5. 可视化结果：最后，我们可以将模拟结果可视化，以便观察波浪在海洋中的运动过程。

这可以通过绘制波浪的高度等信息来实现。

通过以上的步骤，我们可以将波浪的运动过程拟像为一个计算机模拟，并最终得到与真实波浪运动相似的结果。

55第三章不規則波理論風浪使海面形成一種極為不規則(irregular) 的波形。

從風洞水槽或現地觀測中均可發現水面上的風浪，如照片3.1顯示，大波上面疊有小波，縱橫各方向的波重重疊疊，隨著時間和空間變化，同樣的波形不可能再次發生。

故風浪之波形本身構造複雜，是屬於時間及空間上的一種隨機性(random) 變動量。

風浪既是一種隨機現象，則須以統計的方法來描述其特性。

統計方法中波別分析法(individual wave analysis) 和波譜分析法(spectral analysis) 是目前被採用做為敘述海洋風浪之不規則性最普遍的方法。

利用這兩種方法從不規則波中定義出波高和週期，使其能適用於規則波的波浪理論，以達到各種工程設計應用的目的。

一般將這種統計稱為波浪的短期統計，此外另有波浪的長期統計，又分為波候統計和極值統計。

波候統計是對於長年監測到的資料做歸納、整理、和一般統計分析。

而極值統計是討論重現期的問題，將在第四章中再行敘述。

本章只就短期統計對水面波形之不規則性的問題來討論。

照片3.1實際海面風浪的照片3.1 不規則波的表示方法3.1.1 波別解析法不規則波理論56 單純來看，若視風浪的水面變位為一維的波形變化，如圖3.1所示。

對此不規則波形信號來定義個別波之波高與週期有三種方式。

第一種是零位上切 (zero up cross) 法，所謂上切零點是水位上昇曲線與平均水位線之交點，如圖3.1中小圓圈所示各點。

計算二相鄰上切零點間，水位變動之最高峰與最低谷點間之垂直高差即為波高，二相鄰上切零點的時間長度即為週期。

第二種是以水位下降曲線與平均水位線之交點，如圖3.1中小三角形所示各點，定義出個別波的方法，稱為零位下切 (zero down cross) 法。

另外第三種是無視平均水位的存在，兩相鄰波峰波谷的高差即為波高，兩相鄰波峰之間的時間即為週期，依此定義個別波的方法稱為峰至峰 (crest to crest) 法。

虚拟海浪海洋环境模拟方法及应用杨松林;李慧蕾;李坤;严家文;任慧龙【摘要】Based on the wave theory, the simulation method of random waves and the wave data in The Pacific Northwest Waves Statistical Set written by Fang Zhongsheng, a software was developed to realize the wave virtual- ization, database interface design and preliminary simulation process of virtual waves in the marine environment. More than 3 600 copies of data tables in 80 districts in The Pacific Northwest Waves Statistical Set were all recor ded in the marine environment database. Structure strength virtual test is taken as an example to introduce the set of navigation condition and obtain the wave spectrum curve and waves surfaces motion pattern. The results show that the display technology of dynamic navigation used together with the marine environment database provides a good condition for the ship structure strength and the overall performance virtual test.%根据海浪理论及随机海浪的模拟方法和方钟圣所著《西北太平洋波浪统计集》的波浪资料,设计并编制了虚拟海浪海洋环境模拟软件,将《西北太平洋波浪统计集》的80个区块3 600份数据表的所有数据全部录入海洋环境数据库,初步完成了虚拟海浪海洋环境模拟流程和数据库界面的设计,将海浪虚拟化.以结构强度虚拟测试为例,介绍了外载定义过程船舶航行海况的设置方法,得到了海浪谱曲线和海况的波面运动图.研究结果表明:动态海况的显示技术和海洋环境数据库的配合使用,为船舶结构强度和总体性能虚拟测试提供了良好的测试环境.【期刊名称】《江苏科技大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2012(026)003【总页数】5页(P213-217)【关键词】海洋环境;随机海浪;海浪谱;虚拟海浪;结构强度【作者】杨松林;李慧蕾;李坤;严家文;任慧龙【作者单位】江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003;江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江212003;江苏现代造船技术有限公司,江苏镇江212003;中国船舶及海洋工程设计研究院,上海200011;哈尔滨工程大学船舶工程学院,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】U661.1船舶在航行过程中会受到复杂多变的海洋环境因素作用,包括风、浪、流等,对这些环境因素的准确把握是船舶工程系统定量模拟的前提,其中海浪对船舶的作用往往占据主导地位,模拟海浪的真实性在很大程度上决定了模拟结果的可信性,因而海浪模拟多年来一直受到人们的普遍重视．由于海上环境的复杂,进行试验和观测费用昂贵,不易取得系统、精确的观测资料,长期以来人们利用造波机在水池中虚拟波浪．随着计算机的发展,已能通过数字虚拟来研究波浪问题．海浪的虚拟通常是通过谱来实现的．航海虚拟系统中,波浪的虚拟是一项关键技术,该技术既要满足虚拟系统对算法的实时性要求,又要使虚拟波浪的要素(波高、周期等)能和某一波浪等级基本吻合,为此,本文主要研究海洋环境的虚拟化问题:1) 以《西北太平洋波浪统计集》中数据为基础,分别采用单参数谱和双参数谱公式表达有义波高概率分布规律,编制计算软件将海浪虚拟化;2) 对于一些特殊区域,例如台湾海峡,则根据不同海洋区块在不同季节的实测波浪数据,通过数学力学方法把这些数据处理为按概率正态分布的时历和按雷利分布的波幅,并编制模拟软件实现海浪的动态显示．1 二维随机海浪虚拟原理[1-3]在实验室进行波浪模拟时,造波机、消波装置和浪高仪是水池的主要波浪模拟设备．造波机在驱动机构的带动下,通过对水体的推动模拟波浪．为了消除由造波机生成的并传播到水池另一端的波浪,阻止这些波浪返回,通常都在水池的另一端设消波装置．浪高仪又称测波仪,利用其测出的波形,可用光电示波器或磁带机记录下来,也可把波浪信号直接输入计算机中进行实时处理．但实际海面的波动是非常复杂的,海面上的波浪是由大量不同波高、不同波长、不同频率、不同传播方向及位相杂乱的波浪相互混合而呈现出的紊乱复杂现象,通常称这个随时间任意变化的波面为随机海浪．由于实验室水池深度、宽度的影响以及风洞水槽等设施的局限也会导致很多的技术难题,因此,通过数字化虚拟技术来研究波浪问题,可以实现一部分区域的海洋环境模拟．由于建立在经典流体力学基础上的波动理论解决实际海面上的随机海浪尚有一定差距,因此,目前开始研究运用谱和随机过程来描述随时间任意变化的海浪,以克服用确定的函数来描述有明显随机性的海面带来的困难．在研究二维随机海浪的波动时,仅考虑波面在Z-X平面上随时间的变化,X方向为海浪的传播方向．为简化问题,通常假定海浪是二因次的,即波浪只沿一固定方向传播,而且波峰线是无限彼此平行的,它与平面进行波不同的是波浪周期和波高是随机变化的,通常称这类不规则波浪为长峰不规则波．假定随机海浪是由许多不同波长、不同波幅的谐波叠加而成,每个谐波都有同一个前进方向．根据海浪理论,海面上每一点随机海浪的瞬时波面升高可用下式表示,其中x,t分别表示位置和时间．(1)通常定义累计谱E(ω)为E(ω)S(ω′)dω′则(2)将单参数的波能谱(图1)分别按等频率间隔离散谱和等能量离散谱模拟波面升高时历,模拟结果见图3,4.图1 ITTC单参数波能谱Fig.1 Wave energy spectrum of single parameter by ITTC图2 对应图1的累积谱Fig.2 Accumulation of the spectrum to Fig.1图3 将图1按等频率间隔离散谱模拟的波面升高时历Fig.3 Time registration of wave surface simulation in Fig.1 by the same frequency interval discrete spectrum图4 将图1按等能量离散谱模拟的波面升高时历Fig.4 Time registration of wave surface simulation in Fig.1 by the same energy interval discrete spectrum2 虚拟海洋环境数据库系统虚拟海洋环境数据库的建立主要是为舰船虚拟测试验证系统提供一个良好的测试环境,使其能在仿真的海洋环境中对舰船的结构性能和总体性能进行测试．对虚拟测试环境的构建,不仅要求具有可视化,更重要是能最大限度的模拟真实海洋环境,使虚拟海况具有一定的波长和周期,能够根据季节、风向变化而变化．文中采用基于海浪谱的线性叠加法对海浪进行仿真计算．所谓线性叠加法就是将海浪视为由多个不同振幅、不同频率、不同方向和不同随机相位的波叠加而成,其基本思想是生成一个与真实海浪具有相同谱特性的高度场．虚拟海洋环境数据库的建立结合《西北太平洋海浪数据库》[3]和“三维动态海况”显示技术,为整个测试提供一个可视化的数值模拟海洋环境．该环境按照“海洋区块分布法”将整个西北太平洋海区分为80个区块,对于任一区块,又有“春”、“夏”、“秋”、“冬”、“全年”5个季节选项和“北”、“东北”、“东”、“东南”、“南”、“西南”、“西”、“西北”、“所有”9个风向选项．通过对“海区”、“季节”、“风向”3个参数的确定,该系统根据数据库中对应海区的海浪谱统计数据,唯一确定虚拟测试的海洋环境．虚拟海洋环境数据库系统分为2个部分:海洋环境数据库和动态海况显示部分,其中,海洋环境数据库存储了西北太平洋海区的全部波浪统计数据,是构造整个数值型波浪模拟海洋环境的基础,可以方便的选择需要的测试环境．动态海况显示部分运用OpenGL三维显示技术,通过与海洋环境数据库的交互,实时显示所选虚拟海洋环境,便于查看及调整环境参数．以下是进入系统选取测试环境的流程:首先,进入“海洋环境数据库”,进行测试环境的选择(图5).数据库用户界面中,“测试环境选择”区域提供的用户操作界面用于获取用户对虚拟海洋环境的选择结果．界面上半部分用于确定虚拟海洋环境的“区块”、“季节”、“风向”3个参数,图5 海洋环境数据库Fig.5 Ocean environment database选定之后,界面下半部分会显示所选海区在相应的季节和风向状态下的波浪统计数据(图6)．界面右部为西北太平洋二维平面图,用户选定海区之后,二维平面地图上就会高亮显示相应的区块(图7)．图6 测试环境选择Fig.6 Test environment selection图7 西北太平洋二维图Fig.7 Horizontal plane of northwest pacific ocean海洋环境数据库提供了3种波浪模拟的方法用于选择,分别是:“单参数谱”、“双参数谱”、“海洋区块分布法”．将选定“海区”、“区块”、“季节”、“风向”这4个条件,点击“波浪数据模拟”按钮,选择相应的数值模拟方法,系统会在右边窗口显示概率分布表,还可以进行“有义波高”和“平均跨零周期”的修改和确定(图8,9).图8 输入有义波高Fig.8 Significant wave height input图9 概率分布曲线Fig.9 Probability distribution diagram动态海况显示模块是运用OpenGL显示技术实时显示海况信息的一个可视化模块．当海洋环境确定后,退出主界面,虚拟测试控制中心会根据选定的海洋环境参数信息,将海况信息和舰船航行状态以三维图像的形式显示出来(图10)．该部分采用由空间点z=ξ(x,y)构成的波面网格来模拟海面的波浪,其中,(x,y)是空间点水平位置,是所有组成波振幅在该点的叠加．定义大小为100×100的波面网格,用于储存每个网格点值的数组为kelvinwave[100][100],采用辛普森求积法计算出所有网格点的高度值,并存储在数组中,然后通过OpenGL绘制出船行波浪图．这种三维波浪的模拟是目前比较流行的波浪仿真方法,不仅考虑了复杂海况中的频率离散,还考虑了方向上的离散,相对于二维波浪更加真实,更符合实际情况．随机海浪的实现上每一种规则波都有一个随机相位,并且每次设定海况的波浪都不一样,体现了自然海况的随机性．与其他的波浪仿真不同的是,程序中采用了圆形的网格划分方法,球型天空背景,视景更加逼真．窗口中还会附带将波浪模拟方法、海区经度、海区纬度、季节、风向、波高等信息,在右上方的小窗体中显示出来(图11)．点击“关闭”按钮,退出三维海况显示模块,进入虚拟测试验证系统进行测试工作．图10 动态海况显示Fig.10 Display of ocean information图11 海况信息Fig.11 Information of sea aea3 船体结构强度虚拟测试应用[4-5]文中以船体结构强度虚拟测试为例,介绍在虚拟的海洋环境中利用计算机来模拟船舶在水中航行并实现船舶运动及波浪载荷的动态显示方法,以及通过布置测点、定义内外载荷进行结构应力的测试和结果实时输出的方法．使用测试软件时,要求利用外界输入设备改变海洋风浪、船舶行驶速度等,系统经过后台数据的分析计算后得出船体对当前状态的结构响应,并且能在计算机屏幕上时实的显示出来．因此,海况的虚拟是测试的前提和基础,海浪仿真的结果也将直接影响到船体结构响应数字化测试的结果．实船的结构强度试验中,首先需要在实船的各个测点布置应变片,将实船开到预定海区,然后通过应变片读出测点的应力变化并且记录下来．虚拟结构测试也是基于这样的顺序,用户可以给定海况,测试软件据此可以得到测点的应力时历,并且在图形显示窗口实时显示出来．首先,测点的布置有2种方法：可以从控制栏中拾取测点，也可以利用鼠标在样船上拾取测点．载荷的定义方法包括内载定义和外载定义两部分．其中,内载记录了各个站号的重量、吃水和纵倾角并在程序中创建了舱室数目数组、装载数组和工况号变量,并以这些变量为基础储存信息,生成文件和读取文件,满足用户多次修改保存．图12 测点布置Fig.12 Test point arangement外载定义则主要是指船舶航行海况的选择．根据前文,海浪是通过海浪谱来描述的,在系统中,用户可以通过设定P-M谱或ITTC双参数谱的有义波高和平均周期来设置样机的工作海况,完成外载定义(图13).点击海浪谱曲线的“显示”按钮,能在图形区看到所设置海况的海浪谱曲线;点击虚拟海况的“显示”按钮,能显示海浪的波面运动(图14),并且这两种操作都会将所设定海况的信息保存在指定的海浪文件中．该文件包含了海况组成波的波幅和相位,用以模拟应力时历．同时,有限元加载中的波浪载荷也是根据该文件中组成波计算得到的．图13 海浪谱曲线Fig.13 Wave spectrum curve图14 海浪波面运动Fig.14 Movement of wave surface最终通过测点测试,可以得到测试期间的应力最大值和时历文件,在应力文件的基础上,可以计算样船在测试期间的疲劳损伤度应力分布等,为系统的其他功能的实现提供必要的条件．图15 测试结果报告Fig.15 Test results report4 结论初步完成了虚拟海浪海洋环境模拟流程和数据库界面的设计,收录了整个西北太平洋海区中所有区块的不同季节和风向的波浪统计数据,而动态海况显示模块又集成了波浪环境数据的三维显示功能,同时,两者的配合使用,很好地解决了虚拟测试系统中虚拟海洋环境的问题,为虚拟测试工作提供了一个良好的数值型波浪模拟环境．参考文献(References)[1] 文圣常,余宙文.海浪理论和计算原理[M].北京:科学出版社,1985: 127-304.[2] 朱克强, 郑道昌, 周江华,等.船舶结构的波浪载荷与响应分析[J].宁波大学学报：理工版, 2004, 17(4): 454-459.Zhu Keqiang, Zheng Daochang,Zhou Jianghua, et al. Analysis on wave loads and response of ship structure[J]. Journal of Ningbo University: Natural Science and Engineering Edition, 2004, 17(4): 454-459.(in Chinese) [3] 方钟圣, 金承仪, 缪泉明. 西北太平洋波浪统计集[M]. 北京: 国防工业出版社, 1996:28-350.[4] 邱强.船舶随机波浪载荷的理性预报方法[J].中国造船, 2007, 48(2):37-44.Qiu Qiang. Rational prediction method of ship wave load in random sea[J]. Shipbuilding of China, 2007, 48(2):37-44.(in Chinese)[5] 朱世强,武星军,林健亚.海浪模拟的三维仿真研究[J].船舶工程,1999(6):7-9.Zhu Shiqiang, Wu Xingjun, Lin Jianya.3D simulation of ocean wave[J]. Ship Engineering, 1999(6):7-9.(in Chinese)。

本栏目责任编辑：唐一东基于MATLAB 的三维海浪模型数值仿真齐宁1，夏天2，李文岩2，赵立光2（1.海军92301部队，北京100000；2.海军91053部队，北京100071）摘要：海洋工程领域中的浮式结构物设计，需要精确计算海浪载荷，保证满足稳定性和安全性。

该文利用MATLAB 对Longuet-Higgins 长峰波海浪模型和三维不规则短峰波随机海浪模型进行了仿真研究。

结果表明，利用海浪谱来模拟三维随机海浪能够得到比较精确的海浪波面图和波高值，进一步根据流体的势流理论就可以分析计算出该结构物受到的海浪载荷，为校验结构物的结构强度提供了必要的基础。

关键词：海洋工程；浮式结构物设计；三维海浪模型；数值仿真中图分类号：TP393文献标识码：A 文章编号：1009-3044(2013)25-5737-03Simulation of the Mathematical Model of 3-D Irregular Wave Based on MATLABQI Ning 1,XIA Tian 2,LI Wen-yan 2,ZHAO Li-guang 2(1.Unit 92301of Navy,Beijing 100000,China;2.Unit 91053of navy,Beijing 100071,China)Abstract:The load on offshore structure generated by waves should be computed accurately,in order to keep the offshore struc⁃ture stability and security in the structure design in the ocean engineering.The mathematical models of Longuet-Higgins longcrested waves and 3-D irregular short crested waves were learned in this paper by using MATLAB.The results showed that moreprecise wave map and wave height value can be gotten by using wave spectrum theory to simulate 3-D irregular wave.Key words:ocean engineering;offshore structure design;models of 3-D irregular wave;mathematical simulation海洋工程领域中的浮式结构物在海域展开应用时，会不可避免地遭遇各种恶劣海况。

基于海浪谱的风暴潮海浪数值仿真与功率谱估计陈小健;吴庆;张道明【摘要】Based on the mathematic model of random wave, the corresponding significant wave height and average period are chosen as characteristic parameters of the modified JONSWAP spectrum when the tidal level of storm surge reached highest. Numerical simulation of storm surge wave is realized by using spectrum analysis method and MATLAB programming. The simulated extreme tidal level of storm surge is consistent with the experimental data of reference. Finally, according tothe basic principle of Welch algorithm, pwelch function in MATLAB is used to estimate the power spectrum of the wave simulation results.It is proved that the effect of simulation experiment is good.%基于随机海浪的数学模型，采用改进的JONSWAP谱，以最高风暴潮位对应的有效波高和平均周期作为海浪谱的特征参数；利用谱分析法，通过MATLAB编程实现了风暴潮浪的数值仿真，模拟得到的风暴潮极值潮位与文献所给的试验数据较为吻合。

不规则波浪的模拟一、概述研究海浪及其对工程的作用有三种途径：一是现场观测研究；二是在实验室内进行模拟研究；三是理论分析研究。

由于海浪的复杂多变性，加上现场环境恶劣，进行现场观测需花费大量的人力物力；理论研究目前也有较大的局限性，特别是对于不规则波浪，很多问题有赖于室内的模拟研究。

模拟研究的方法可分为两大类。

开始是在水槽或水池内利用风或造波机进行物理模拟，亦即进行波浪模型试验。

在人们的精心设计下，可以把负责的现象分解为多个简单的模型，然后再把成果综合起来。

过去已取得了大量的研究成果，目前仍是主要的研究方法之一。

随着电子计算机的发展和普及，海浪的数值模拟得到迅速的发展，它具有经济方便等优点，日益受到人们的重视和广泛的应用。

天然海浪是很复杂的，人们对它的认识和研究过程是由简到繁，由浅入深，及即由单向规则波—斜向规则波—单向不规则波—多向不规则波。

二、不规则波浪的数值模拟—模拟频谱单向不规则波浪的数值模拟方法，大多建立在线性波浪理论的基础上。

2.1 线性波浪叠加法海浪可看做一平稳随机过程，它可由多个（理论上为无限多个）不同周期和不同随机初位相的余弦波叠加而成：()()i i i Mi i t x k a t εωη+-=∑=cos 1 （2.1）式中，()t η为波动水面相对于静水面的瞬时高度； i a 为第i 个组成波的振幅；i i k ω,为第i 个组成波的波数和圆频率；i i i i T L k πωπ2,2==L ，T 分别为波长、周期；x ，t 分别表示位置和时间，通常固定位置，可取x=0；i ε为第i 个组成波的初位相，此处取在（0,2π）范围内均布的随机数。

通过频谱来模拟海浪，设欲模拟的对象谱（靶谱）()ωηηS 的能量绝大部分分布在H L ωω~范围内其余部分可忽略不计。

把频率范围划分为M 个区间，其间距为1--=∆i i i ωωω，取()()i i i i i i S a ωωωωωηη∆=+=-ˆ22ˆ1 （2.2）则将代表M 个区间内波能的M 个余弦波动叠加起来，即得海浪的波面：()()()ii Mi i i t S t εωωωηηη+∆=∑=~cos ˆ21 （2.3） 式中，iω~为第i 个组成波的代表频率。

基于MATLAB的三维海浪模型数值仿真作者：齐宁夏天李文岩赵立光来源：《电脑知识与技术》2013年第25期摘要：海洋工程领域中的浮式结构物设计，需要精确计算海浪载荷，保证满足稳定性和安全性。

该文利用MATLAB对Longuet-Higgins长峰波海浪模型和三维不规则短峰波随机海浪模型进行了仿真研究。

结果表明，利用海浪谱来模拟三维随机海浪能够得到比较精确的海浪波面图和波高值，进一步根据流体的势流理论就可以分析计算出该结构物受到的海浪载荷，为校验结构物的结构强度提供了必要的基础。

关键词：海洋工程；浮式结构物设计；三维海浪模型；数值仿真中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2013）25-5737-03海洋工程领域中的浮式结构物在海域展开应用时，会不可避免地遭遇各种恶劣海况。

浮式结构物受到海浪产生的绕流力、惯性力、冲击力、浮托力等作用，这些作用直接关系到结构物的生存安全。

因此在浮式结构物设计时，必须要充分考虑海浪的影响，精确计算海浪载荷，校验和优化结构，研究浮式结构物的耐波性和稳性，保证其满足设计要求的稳定性和安全性。

目前评估海浪载荷对浮式结构物的影响主要采用物理模型试验的方法，然而这种方法费时费力，而数值模拟具有参数设置灵活、计算结果精确等优点，正逐步成为设计领域研究海浪载荷的重要手段。

由于受到计算机硬件发展水平和波浪理论不成熟等的制约，早期的海浪数值仿真主要以二维为主，但是对于需要研究海浪和浮式结构物相互作用过程中产生的波浪折绕射、漩涡等现象时，显然不能满足工程的需要。

因此研究三维海浪数值模型，实现对海浪现象更加真实准确的描述，是海上复式结构物设计领域中研究海浪和结构物相互作用的必然发展方向。

本文利用谱分析的方法，在MATLAB环境下对三维随机海浪模型进行了数值模拟仿真，并给出了三维随机海浪波面图，为浮式结构物设计中计算海浪载荷提供了参考。

1 Longuet-Higgins长峰波海浪模型2 三维不规则短峰波随机海浪仿真2.1 基于谱分析的三维不规则短峰波随机海浪模型该仿真海浪中，最大波高[Hmax=3.32m]，根据标准浪级波高的参考值[3]，五级浪对应的波高范围为[2.5，4.0m]，最大波高[Hmax]位于允许的波高范围内，说明利用海浪谱来模拟三维随机海浪能够得到比较精确的海浪波面图和波高值。

3.16波浪波浪模拟实验海洋、湖泊、水库等宽广的水面下可能发生较大的波浪，波浪将影响船舶进航和停泊的安全；对堤防闸坝以及其他岸边建筑物具有强大的冲击作用；也会引起近岸浅水地带水底泥沙运动；淘刷岸坡和护岸建筑的基础，使航道和港口受淤、岸坡崩溃。

因此波浪成为水力学的重要课题之一。

一、实验目的：1、掌握波浪水槽和造波机的基本结构和原理2、掌握描述波浪基本要素的定义和测量3、了解波浪水槽模型实验的基本方法二、实验装置：1、水槽：1、电脑2、液压系统和造波板3、浪高仪4、消波器2、造波机：造波机安装在波浪水槽一端，造波机后侧直立式消能网，水槽的另一端设有消能坡消除波浪反射影响。

整个造波系统由造波板、液压伺服作动器、液压泵站、伺服放大器、AD/DA接口及计算机与外设等部分组成。

实验中要模拟一个波谱时，首先根据目标谱利用傅利叶变换将其展开成一个电压时间序列值控制信号，经D/A接口转换成不规则的电压信号，送给伺服控制放大器，驱动造波机推板作相应的推挽运动，推动水体而产生波列，位移传感器实时测出推板的运动轨迹，实时反馈到控制放大器，修正机械惯性带来的误差，以确保推波板能准确地跟踪计算机给定的信号运行。

造波的同时，浪高仪将波浪物理量转换成电量信号送A/D转换器进行数据采集，并暂存于内存中，供谱分析。

一般情况下，每次谱模拟不得少于120个波。

由于传递函数拟合时产生的误差及机械系统的影响，很难一次模拟成功，必须按以下公式修正。

[])(ϖα−=ωϖ+S*ϖ(DS(S))(S)式中：---------------修正后的控制谱S*ϖ()-----------------实测模拟谱)(S ϖ α -------------------修正系数)(DS ϖ --------------目标谱按重新计算出电压时间序列值，再一次控制造波机造波，分析比较，直至得到理想的模拟谱为止。

一般情况下经过二到五次修正就可基本成功。

)(S *ϖ三、实验原理：1、波浪要素的定义：波浪现象的特征是水的自由界面出现有规律的起伏形态，水的质点则作有规律的振荡运动，同时波形以一定速度向前传播。