基于高阶边界元方法的方向性波浪聚焦非线性演化及谐波特征研究

《Applied Ocean Research》：Nonlinear free-surface evolution and focusing behavior of directionally spread waves

　　

摘要

准确预测极端波浪对于确保复杂海况下近岸和离岸基础设施的可靠性至关重要。然而，目前仍缺乏对方向性波浪聚焦中所采用的谐波分解的清晰频谱解释。本研究开发了一个全非线性数值模型，并通过实验室实验对其进行验证，以研究单向、双向和多向波浪组的非线性演化及聚焦行为。该研究涵盖了波浪聚焦中不同的非线性现象，并对四阶以内的各分量幅值和空间分布进行了量化，为控制波浪聚焦的非线性机制提供了新的见解。本研究开发了一种用于方向性聚焦波浪的新型高阶边界元方法（HOBEM），该方法在三维圆柱边界上均匀分布内部源，并结合基于向量的控制策略，以实现精确的相位对准和提高计算效率。结果表明，与多向波浪相比，单向聚焦波浪从基频向高阶谐波的能量转移更强，且对于更陡的波浪，这种差异更为明显。对于双向聚焦波浪，随着方向分离角的增大，向高阶谐波的能量转移强度减弱。方向扩散降低了相位相干性，从而改变了非线性相互作用的表征方式，并影响了聚焦行为。这些发现阐明了真实海况下波浪聚焦的非线性特征，为极端海洋条件下的波浪相互作用机制提供了重要的理论见解。

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Lei Fu|Dezhi Ning|Haoyu Ding|Dongfang Liang