经验波浪频率谱

版本:202301


   本计算程序用于计算生成工程实践中常见的经验波浪频率谱。一个特定的波浪谱有其适用条件,取决于诸多因素,如风场及水深等。用户需根据现场实际条件合理选择适用的波浪谱。

  本计算程序只考虑固定点的谱(亦称点谱),不涉及方向谱。本计算程序只针对频率谱,即谱密度S(单位:m2s)按频率来表达。需要特别说明的是,本计算程序中的S既可按循环频率f(单位:Hz),并非按圆频率或角频率ω (= 2πf)。本计算程序采用国际单位制。

  本计算程序涵盖了工程实践中常见的12种经验波浪频率点谱,见表1。关于波浪频率谱的基本知识和这些谱的计算公式,详见李怡(2023)中第二章的第2.1和2.2节。本计算程序采用李怡 (2023)第二章中的计算方法、原则及经验系数,详见于其中的第2.3节。

  滨水工采用Python 3.9.0 (van Rossum等2022)开发本计算程序。

参数输入

  表1也列出了这些谱所需要的输入参数。关于这些参数的定义和解释,详见“计算页面”或李怡(2023)中的第二章。(注意:表1中的Uz即“计算页面”上的U,也就是z处的风速;表1中的TS即“计算页面”上的T1/3。)

  滨水工在计算中将这些谱分为两类,用户在“计算页面”上必须选择其一:
   1) 风距或水深限制条件下的谱 (包括JONSWAP, Liu, Mitsuyasu, 文圣常, TMA)
   2) 风、涌浪混合谱或充分成长的风浪谱 (包括B-M, M B-M, J-G1, J-G2, 两个双峰谱)


  如李怡(2023)所述,实际上每一类均包括了不同类型的谱,它们在使用条件和适用条件上可能有所区别,有些谱甚至不宜放在一起直接比较。如,在第一类里,文圣常谱考虑d但不考虑X, 而TMA谱既考虑d也考虑X。第一类里的大部分谱均不依赖已知波浪要素。在第二类里,基本Bretschneider谱型主要针对充分成长阶段的风浪,那两个双峰谱却可以考虑涌浪成分。第二类中的谱均不需要d和常规意义上的X。把它们这样分类主要是因为它们有类似的数据需求。因此,在解读计算结果时用户需注意识别这些谱之间的可比性。

  第一类中可以输入的参数包括:d, X, Uz, z, γ, HS, Tz, TS。(注意:此处的HS仅用于文圣常谱,其它谱的HS通过谱计算获得。)

  第二类中可以输入的参数包括:Xmax, Uz, z, γ, HS, Tz, TS, TpHS和风要素(Uzz)这两者,必填其一。

  为了相互比较,滨水工会自动匹配提供的数据并提供能够获取的谱。参数提供得越多,可能得到的谱就会越多。因此,没有必要同时输入所有这些参数。“计算页面”为这些参数提供了注解,用户请仔细阅读。“计算页面”具备提示功能,对于不恰当的参数输入会给出相应提示。

  在“计算页面”上输入参数时,其单位应符合相应要求。


结果输出

  对于每一个得到的谱,结果表格提供以下数据:m-1, m0, m1, m2, m4, ν, ε, HSm0, Smax(谱密度峰值), fp, Tp, fe, Tm-10, fa, Tm01, frms, Tm02.
  除非另有说明, 结果表中的 Smaxfp均为谱计算得到的结果。由于频率域离散化的精度限制,直接计算的 fp不一定落在一个频率域离散点上,故直接计算得到的 Smax有可能不会在图中显示。
  对于TMA谱,Smax直接从图中读取,表中的fpJONSWAP谱的fp。这个fp并不一定对应TMA谱的Smax
  对于文圣常谱,结果表中的Smaxfp均直接从图中读取。
  计算结果中的O-H谱仅为最可能谱型。结果表中的Smax直接从结果图中读取,fp为其低频成分的峰值频率。
  对于sT谱,Smax直接从结果图中读取,Tp为输入的参数,fp为其倒数。fp实为主峰频率。


参考文献

李怡 (2023) 海岸及水道工程专题 第1卷(第1版). 中国出版社

van Rossum, G., and the Python Development Team (2022) The Python Language Reference (Release 3.9.13), Python Software Foundation (http://www.python.org).