极限波浪的演化机理及对LNG船运动影响的研究

With more frequent extreme weather and more rapid exploration and exploitation in the ocean, the chance to encounter an extreme wave event is becoming large today. The destructive power of extreme waves is very huge, and it can easily destroy the ship in the ocean, leading to serious loss of life and property, or even local pollution and environmental risk. However, a lot of problems remain to be solved due to its complexity in the evolutionary mechanisms. And the extreme response values of ships have not been deeply discussed yet when encountering extreme waves. This project is going to make a full and systematic research on extreme waves, as well as their effects on the motions of ships, especially the LNG carrier. Comparing specific laboratory observations with various numerical simulations, this project will study the evolutionary mechanisms of extreme waves from various perspectives, as well as the interaction among different nonlinear effects. Based on a large number of numerical simulations, from a statistical point of view, this research will focus on the main characteristics of extreme waves and propose more accurate forecasting models. In combination with the characteristics of extreme waves, time domain nonlinear strip theory will be modified to study LNG carrier responding to various extreme waves. The relationship between extreme values of response and main particulars of ship or extreme wave parameters will be considered, which has a reference value for the initial design of ships.

随着极端天气的频发，以及人类开发利用海洋资源的步伐越来越快，在海上遭遇到极限波浪的概率正在逐渐增大。极限波浪的破坏力非常巨大，可以摧毁海上的船体，造成财产损失和人员伤亡，甚至会引起局部海洋环境的污染。然而极限波浪的演化机理非常复杂，有很多问题仍未解决，遭遇极限波浪时，船体运动响应幅度的极值也未被深入讨论过。本项目拟对极限波浪进行全面而系统的研究，并以LNG船为代表，研究极限波浪对船舶运动产生的影响。通过特定的物理水池试验和不同的数值模拟实验，同时从多个角度综合分析极限波浪演化的机理，探讨此时各种非线性效应之间存在的关联。基于大量的数值试验，从统计分析的角度来研究极限波浪各个特征量的统计特性，提出更加可靠的统计预报模型。结合极限波浪的特性，改进已有的时域非线性切片法，研究LNG船在极限波浪中的运动响应，探索船舶主尺度和极限波浪参数等因素与响应幅度极值之间存在的关系，为船舶初始设计提供参考。

由于全球气候变暖，极端天气频发，船舶遭遇极限波浪的概率增加。准确了解畸形波的生成演化机理及作用在船体时引起的荷载和运动响应，可为航行安全提供理论指导和技术支撑。. 通过高阶谱方法构建数值水池，研究PB波在规则和不规则背景波中演化生成畸形波的规律。全非线性作用下PB波聚焦的特性与理论预测值存在差异，最大放大因子出现的波陡为0.10~0.12。不规则背景波干扰时PB波依然可演化生成畸形波，其达到的峰值和演化距离依赖于其生成波包的初始能量和波群的具体结构。因此基于单色波的调制不稳定性可用来揭示嘈杂环境中畸形波生成的物理机理，拓展了其理论应用的范畴。. 基于非平稳保角变换构建数值水池，利用蒙特卡洛法重构随机极限波浪，通过频谱和统计分析研究典型海况下自然、认知和混合不确定性对畸形波生成时的外在表征特性的影响规律。自然不确定性导致其表征形式有所差异，叠加认知不确定性后，其波动更为剧烈。因此准确预测某一海况中的畸形波的波形非常困难，但其高度和波长波动较小，可用概率统计描述，为畸形波预测指明了方向。. 采用瞬态波包、新波理论和调制不稳定性，合成与新年波具有同样波峰高度和周期的三个畸形波，分析其聚焦瞬间的水动力特性，探讨LNG船在有无航速时遭遇其作用的垂向运动响应规律。各方法生成的畸形波在时间域上波形一致，但聚焦瞬间空间域上波形和场强差异较大，进而引起不同的运动响应。因此畸形波的空间波形更适合表征其水动力特性，可用来甄别其生成的物理机理，其诱导的响应极值取决于聚焦位置和船体航速。. 依托LSTM算法实现训练集序列的自适应镜像延拓，消除其端点效应，采用复合的MLEMD-LSTM神经网络模型对畸形波进行预测，比对其预测效果可知，虽然EMD端点效应对模型预测精度具有负面影响，但基于自适应镜像延拓的复合模型可避免其干扰，准确地预测短期非线性、非平稳波浪时序的变化趋势。这为发展更精确的畸形波的预测模型奠定基础。

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