(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211220850.3 (22)申请日 2022.10.08 (71)申请人 南京航空航天大 学 地址 210007 江苏省南京市秦淮区御道街 29号 (72)发明人 陈吉昌　李乐　肖天航　童明波　 张恒珲　卢志伟　 (74)专利代理 机构 南京正联知识产权代理有限 公司 32243 专利代理师 李寰 (51)Int.Cl. G06F 30/20(2020.01) G06F 30/17(2020.01) G06F 111/04(2020.01) G06F 111/10(2020.01)G06F 113/08(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 基于等分频率-能量-方向角策略不规则波 浪谱解析方法 (57)摘要 本发明涉及航空航天和船舶领域， 是一种基 于等分频率 ‑能量‑方向角策略不规则波浪谱解 析方法， 步骤为： 叠加波浪模型， 得到规则波、 单 向不规则波和多向不规则波的空间 ‑时域解析运 动方程； 选定参数， 采用等 分频率、 等分能量和等 分方向角的策略， 得到规则波和不规则波的所有 波浪参数； 得到空间任意位置点任意时刻的波面 运动方程； 对解析后的波面运动时间历程曲线进 行估计， 得到估计谱， 并将估计谱与理论波浪谱 进行对比， 验证本发明的不规则波浪谱解析方法 的正确性。 本发 明能够准确地模拟复杂不规则波 浪的时空特性， 得到不同海况等级的不规则波浪 参数， 为飞行器和船舶复杂波浪情况下的物理水 池试验和数值仿真提供技 术支持。 权利要求书4页 说明书8页 附图6页 CN 115526052 A 2022.12.27 CN 115526052 A 1.一种基于等分频率 ‑能量‑方向角策略不规则波浪谱解析方法， 其特征在于， 具体包 括以下步骤： 步骤1、 根据设计和分析的需求， 选择合 适的波浪理论； 步骤2、 基于Longuet ‑Higgins的线性叠加波浪模型， 将随机海浪叠加为多个不同周期、 振幅和初相位， 并且在xoy平面内与x轴成θ 方向角的规则余弦波的波列； 步骤3、 基于非破碎波和深水波浪的前提， 给定波高H、 波长L和水深d， 求得波数和振幅； 步骤4、 根据需求， 选择合 适的开放海域波浪谱； 步骤5、 首先， 根据需求、 海况等级表和不同海域的海浪等级情况， 给定水深d、 有义波高 Hs和平均周期 然后， 根据需求， 采用等分频率或等分能量的策略， 对海浪的频率谱S(ω) 进行解析和离 散， 从而得到单向不 规则波的波面 运动方程； 步骤6、 参考步骤5中的等分频率 ‑能量的策略， 对波浪的方向谱进行方向等分离散， 计 算多向不 规则波的每 个子波的方向角 θj和振幅Ai,j； 步骤7、 采用伪随机数取点的方法， 计算单向不规则波的初相位εi和多向不规则波的初 相位 εi,j； 步骤8、 根据步骤3 ‑7的计算结果， 最终得到步骤2中的单向不规则波和多向不规则波的 波面时空运动方程。 2.根据权利要求1所述的基于等分频率 ‑能量‑方向角策略不规则波浪谱解析方法， 其 特征在于， 具体包括以下步骤： 步骤1、 根据实际需求， 选择基于自由表面为线性的微幅波理论， 得到规则波的波面运 动方程： η(x,t)＝Acos(kx ‑ωt) 式中， t为时刻， x为位置， 其中η(t,x)为t时刻， x位置处的波面高度， A为波浪运动的振 幅， k为波数， ω为波浪的圆频率， 单位为rad/s， 其中， 将振幅、 波数和圆频率定义为规则波 的波浪参数； 步骤2、 基于Longuet ‑Higgins的线性叠加波浪模型， 给出单向不规则波的波面运动方 程： 式中， 下标i为第i个子波， 其对应的波浪参数分别为第i个子波的波浪参数， M为叠加的 规则波子波的总个数， εi为第i个子波的初相位； 步骤3、 基于非破碎波和深水波浪的前提， 给定波高H、 波长L和水深d， 求得波数和振幅： k＝2 π/L A＝H/2； 步骤4、 根据需求， 选择合 适的开放海域波浪谱， 具体为： S(ω, θ )＝S(ω)G(ω, θ ) 式中， S(ω, θ )为波浪的能量谱， S(ω)为波浪的频率谱， G(ω, θ )为波浪的方向谱； 步骤5、 首先， 根据需求、 海况等级表和不同海域的海浪等级情况， 给定水深d、 有义波高 Hs和平均周期 然后， 根据需求， 采用等分频率或等分能量的策略， 对海浪的频率谱S(ω)权　利　要　求　书 1/4 页 2 CN 115526052 A 2进行解析和离 散， 从而得到单向不 规则波的波面 运动方程； 步骤6、 参考所述步骤5 中的等分频率和等分能量的策略， 基于等分方向角的策略， 对波 浪的方向谱进行 方向角等分离 散， 计算多向不 规则波的每 个子波的方向角 θj和振幅Ai,j； 步骤7、 采用伪随机数取点的方法， 计算单向不规则波的初相位εi和多向不规则波的初 相位 εi,j， 具体为： εi＝random(0,2 π )i ＝1,2,…M εi,j＝random(0,2 π )i ＝1,2,…M； j＝1,2, …N 步骤8、 根据步骤3 ‑7的计算结果， 最终得到步骤2中的单向不规则波和多向不规则波的 波面时空运动方程。 3.根据权利要求2所述的基于等分频率 ‑能量‑方向角策略不规则波浪谱解析方法， 其 特征在于， 在所述 步骤2中， 对于多向不 规则波， 给 出其波面 运动方程： 式中， θ为波浪传播的方向角， M ×N为多向不规则波的子波总叠加个数， N为波浪传播方 向的总个数， 下标i,j为第i ×j个子波的编号， 其对应的Ai,j和 εi,j分别为第i ×j个子波的振 幅和初相位。 4.根据权利要求3所述的基于等分频率 ‑能量‑方向角策略不规则波浪谱解析方法， 其 特征在于， 在所述 步骤2中， M取值的不小于 50， N的取值 为50。 5.根据权利要求2所述的基于等分频率 ‑能量‑方向角策略不规则波浪谱解析方法， 其 特征在于， 在所述步骤3中， 通过数值迭代的方式求解色散 关系式， 解析规则波的波浪参数， 从而得到规则波的波面 运动方程， 具体为： ω2＝gktanhkd 式中， g为重力加速度； tanh为双曲正切函数。 6.根据权利要求2所述的基于等分频率 ‑能量‑方向角策略不规则波浪谱解析方法， 其 特征在于， 在所述 步骤4中， 首先， 基于近似的假设， 得到波浪谱的形式为： S(ω, θ )＝S(ω)G( θ ) 其次， 采用双参数JONSWAP频率谱和方向谱， 具体为： G( θ )＝Ancosnθ| θ|≤ π/2,n ＝2,An＝2/ π 式中， Hs表示不规则海浪的三分之一有义波高， 为不规则波海浪的平均周期； 最后， 得到海浪的最终理论谱型： 7.根据权利要求2所述的基于等分频率 ‑能量‑方向角策略不规则波浪谱解析方法， 其 特征在于， 所述 步骤5具体包括以下流 程： (1)计算频率谱的有效频率范围， 采用能量占比截断的方法， 其计算公式为：权　利　要　求　书 2/4 页 3 CN 115526052 A 3