波浪数物耦合模型的一种新的信号滤波方法
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第 ３ 卷第 ３ ２ 期
２ １ 年 ６ 月 ０ １
水
道 港 口
Ｖ０ － ２ Ｎｏ ３ ｌ ３ ．
Ｊ ｕ ｎ ｌ ｆＷ ａ ｅ ｗａ ｎ ｒ ｏ ｏ ｒ ａ ｔ ｒ ｙ ａ ｄ Ｈａ ｂ ｒ ｏ
Ｊ ｎ ２ １ ｕ．０ １
波 数 耦 模 的 种 的 号 波 法 浪 物 合 型 一 新 信 滤 方
定 ， 合 误 差更 小 耦
关键词 ： 波浪传播模拟 ； 耦合模 型； 低频滤波 ； 线性补偿
中 图分 类 号 ： ５ ．； １． ｏ３３ ０４ １ ２ ３ 文 献标 识 码 ： Ａ 文 章 编号 ：０ ５ ８ ４ （０ １０ — １３ ０ １０ — ４ ３ ２ １ ）３ ０５ — ８
边界处 的波浪及水质点沿水深平均速度 ；２ 确定物模中造波机的造波信号 ；３ 利用得到的信号在物模试 （） （） 验中产生波浪。 该模型保持 了波浪的传播特性及数模与物模的连续性 。 根据线性造波理论 ， 数值模型和物理
域 分析 ， 文方 法 比传统 方 法能 更 有效 滤 除低 频信 号 ， 本 且不 会 导致 结果 偏小 ， 同时 进行 了波浪 的模拟 实 验 ，
证 明 了该方 法 的有效性 。
收 稿 日期 ：０ １０ — ８ 修 回 日期 ：０ １０ — ５ ２１－２２ ； ２ １－ ３ １
基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目（ １７ ０３ ； ５ ０ ９ ２ ）围家 自然科学基金创 新研究群体项 目（ｏ ２ Ｏ １ ５ ９ １Ｏ ） 作者简介： 阳志文 （９ ３ ， ， １ ８一）男 湖南衡阳人 ， 博上研 究生 ， 从事波浪模拟及应用研究＿ 作。 ［
Ｂ ｏ ｒ ｐ ｙ Ｙ Ｎ ｈ— ｅ （ ９ ３ ） ｍ ｌ ， ｏｔｒ ｔｄ ｎ． ｉ ａ ｈ ： Ａ Ｇ Ｚ ｉ ｎ １ ８ 一 ， ａｅ ｄ ｃｏ ｓ ｅ ｔ ｇ ｗ ｕ
１４ ５
水
道
港 口
第 ３ ２卷第 ３ 期
１ 基 本理 论
１ 耦合模 型简 介 ． １
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
数 模 与物模 的确 定性 耦合 模 型 的简要 耦合 步骤 为 ：１ 用 数值 模 型波浪 传播模 拟计 算 给定数模 与物 模 （）
阳志文 ， 淑 学， 柳 李金 宣， 孙忠滨
（ 连理 工大 学 海 岸和近 海工 程 国家重点 实验 室 ， 大 大连 １ ６ ２ ） １０ ３
摘 要 ： 二 维波 浪 传 播 数 模 与 物模 耦合 模 型 规则 波 低 频 滤 波 问题 为 研 究 对 象 ， 用 摄 动 法 建 寺 了线 性 以 采
在 海洋 工程 的水 波模 拟 中 ， 数值 模 型 和物 理模 型是 ２种 最 主要 的方 法 ， ２种方 法 都有 各 自的优 点 和 但 局 限性 。 如数 值模 型适用 于大 尺度 的水域 ， 受场 地 限制 ， 不 易于 修 改 ， 成本 低 ， 但难 以精 确 模拟 复 杂 的 波浪 运动 ； 理模 型特 别适 合 于复 杂 波况 或 地形 条 件 的模 拟研 究 ， 物 但受试 验场 地 、 型 比尺 等 限制 ， 成 本 高 。 模 且
Ｋａ ｈｕ ｓ ｌ Ｗ ａｔ ｍｐ ｉ ｌ＿ ｔｓ Ｅ
，
，
ｓｈ ｃ硝 ｓ指 出 ， 随着 Ｔ程 的不 断 扩大 和对 模 拟要 求 的提 高 ， 数模 和物 模 的 联合 应
用更加值得重视。 针对这 ２ 个要求 ， 很多研究者提出了数模与物模 的联合模型 ， 并将其应用到实际工程 。 Ｋ ｆｅ ． ａ ｓｎ等 ｏｏｄＨ ｎｅ ６ 针对 黎 巴嫩 贝鲁特 中心 行政 区西 码头 改造 项 目， 立 了数模 与 物模 的联 合模 型 ， 建 充分 利 用 了 ２种模 型优 点 。 而 目前这 种联 合模 型 并没 有 考虑 数模 与 物模 边 界线 上 的波 浪参 数 的不 均匀 性 ， 致 然 导
其 只停 留在 随机或 统计 的水平 。
数模 与物 模之 间 的确 定性 耦合 模 型是 一种 全新 的数物 模联 合 模 型 ， 数 模 与物 模 的完 全耦 合 ， 是 它充 分 考虑 了 ２种模 型 边界 线 的波 浪参 数 时域 不均 匀性 ， 仅 结合 了 ２种模 拟 方法 的优 点 ， 能 够最 大 限度 的减 不 还 少两者 结合带 来 的近似误 差 ， 年来得 到 了越来 越多学 者 的关 注和研 究 。ｈｎ 近 Ｚ ａｇ和 Ｓｈｆ ｒ圳首先 分 别针对 ｃａｅ 二维 和三维 的确 定性耦 合 问题进 行 了初 步研 究 ， 立 了三维 联 合造 波理论 。 而 ， 建 然 在耦合 模 型 的造 波信 号求 解 过程 中 ， 由于 波浪 的非线 性作 用 ， 使得计 算 ｌ的信号会 出现低 频 的慢漂 问题 ， 叶 Ｊ 这将 导致 造 波机 的位移 超 出 其 冲程 ， 使 物理 模 拟 难 以继 续 进 行 ， 致 因此 耦 合模 型 的 低 频 滤 波也 成 为 了模 拟 成 功 与否 的关 键 。ｈｎ Ｚ ａｇ和 Ｓｈｆｒ７ 其研究 报告 中普遍 采用 了一 阶高通 滤波法 进行 处理 ， ｃａ ｅ＿ｓ ｆ ＿在 但存 在 ２个 主要 问题 ： 是选择 合适 的高 一 通 特 征 的频 率 较 困难 ， 是会 导致 结果 偏小 。 二 为此 ， 文将 耦合 方 程摄 动展 开 并保 留Ｎ－ 本 ＜阶项 ， 分离 出了信 号 中线 性漂 移 值 ， 原 始信 号 中补偿 一 个相 反 的信 号 ， 在 有效 滤 除 了低频 漂 移项 ， 之 为线 性补 偿 法 。 称 通过 频
补偿滤波方法 。 合模 型中， 耦 数值模拟采用基 于改进 Ｂ ｕｓ ｅｑ ｏ ｓｉ ｓ 方程 的三角形 网格有 限元模型 ， ｎ 物理模拟 采用推板式造波机 。 中分析了耦合模型信号滤波的目的和 目标 ， 文 并通过造波信号频域的分析 ， 比了文 对 中方法与传统方法 在信号稳定性方面 的效果 ， 通过波浪耦合模拟实验对 比了波面的数模 与物模结果 。 实 验结果表 明， 与传统方法相 比， 文中方 法能有效解决造波信号 的慢漂 和计算值偏小 的问题 ， 信号 更加 稳
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波 数 耦 模 的 种 的 号 波 法 浪 物 合 型 一 新 信 滤 方
定 ， 合 误 差更 小 耦
关键词 ： 波浪传播模拟 ； 耦合模 型； 低频滤波 ； 线性补偿
中 图分 类 号 ： ５ ．； １． ｏ３３ ０４ １ ２ ３ 文 献标 识 码 ： Ａ 文 章 编号 ：０ ５ ８ ４ （０ １０ — １３ ０ １０ — ４ ３ ２ １ ）３ ０５ — ８
边界处 的波浪及水质点沿水深平均速度 ；２ 确定物模中造波机的造波信号 ；３ 利用得到的信号在物模试 （） （） 验中产生波浪。 该模型保持 了波浪的传播特性及数模与物模的连续性 。 根据线性造波理论 ， 数值模型和物理
域 分析 ， 文方 法 比传统 方 法能 更 有效 滤 除低 频信 号 ， 本 且不 会 导致 结果 偏小 ， 同时 进行 了波浪 的模拟 实 验 ，
证 明 了该方 法 的有效性 。
收 稿 日期 ：０ １０ — ８ 修 回 日期 ：０ １０ — ５ ２１－２２ ； ２ １－ ３ １
基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目（ １７ ０３ ； ５ ０ ９ ２ ）围家 自然科学基金创 新研究群体项 目（ｏ ２ Ｏ １ ５ ９ １Ｏ ） 作者简介： 阳志文 （９ ３ ， ， １ ８一）男 湖南衡阳人 ， 博上研 究生 ， 从事波浪模拟及应用研究＿ 作。 ［
Ｂ ｏ ｒ ｐ ｙ Ｙ Ｎ ｈ— ｅ （ ９ ３ ） ｍ ｌ ， ｏｔｒ ｔｄ ｎ． ｉ ａ ｈ ： Ａ Ｇ Ｚ ｉ ｎ １ ８ 一 ， ａｅ ｄ ｃｏ ｓ ｅ ｔ ｇ ｗ ｕ
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１ 耦合模 型简 介 ． １
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数 模 与物模 的确 定性 耦合 模 型 的简要 耦合 步骤 为 ：１ 用 数值 模 型波浪 传播模 拟计 算 给定数模 与物 模 （）
阳志文 ， 淑 学， 柳 李金 宣， 孙忠滨
（ 连理 工大 学 海 岸和近 海工 程 国家重点 实验 室 ， 大 大连 １ ６ ２ ） １０ ３
摘 要 ： 二 维波 浪 传 播 数 模 与 物模 耦合 模 型 规则 波 低 频 滤 波 问题 为 研 究 对 象 ， 用 摄 动 法 建 寺 了线 性 以 采
在 海洋 工程 的水 波模 拟 中 ， 数值 模 型 和物 理模 型是 ２种 最 主要 的方 法 ， ２种方 法 都有 各 自的优 点 和 但 局 限性 。 如数 值模 型适用 于大 尺度 的水域 ， 受场 地 限制 ， 不 易于 修 改 ， 成本 低 ， 但难 以精 确 模拟 复 杂 的 波浪 运动 ； 理模 型特 别适 合 于复 杂 波况 或 地形 条 件 的模 拟研 究 ， 物 但受试 验场 地 、 型 比尺 等 限制 ， 成 本 高 。 模 且
Ｋａ ｈｕ ｓ ｌ Ｗ ａｔ ｍｐ ｉ ｌ＿ ｔｓ Ｅ
，
，
ｓｈ ｃ硝 ｓ指 出 ， 随着 Ｔ程 的不 断 扩大 和对 模 拟要 求 的提 高 ， 数模 和物 模 的 联合 应
用更加值得重视。 针对这 ２ 个要求 ， 很多研究者提出了数模与物模 的联合模型 ， 并将其应用到实际工程 。 Ｋ ｆｅ ． ａ ｓｎ等 ｏｏｄＨ ｎｅ ６ 针对 黎 巴嫩 贝鲁特 中心 行政 区西 码头 改造 项 目， 立 了数模 与 物模 的联 合模 型 ， 建 充分 利 用 了 ２种模 型优 点 。 而 目前这 种联 合模 型 并没 有 考虑 数模 与 物模 边 界线 上 的波 浪参 数 的不 均匀 性 ， 致 然 导
其 只停 留在 随机或 统计 的水平 。
数模 与物 模之 间 的确 定性 耦合 模 型是 一种 全新 的数物 模联 合 模 型 ， 数 模 与物 模 的完 全耦 合 ， 是 它充 分 考虑 了 ２种模 型 边界 线 的波 浪参 数 时域 不均 匀性 ， 仅 结合 了 ２种模 拟 方法 的优 点 ， 能 够最 大 限度 的减 不 还 少两者 结合带 来 的近似误 差 ， 年来得 到 了越来 越多学 者 的关 注和研 究 。ｈｎ 近 Ｚ ａｇ和 Ｓｈｆ ｒ圳首先 分 别针对 ｃａｅ 二维 和三维 的确 定性耦 合 问题进 行 了初 步研 究 ， 立 了三维 联 合造 波理论 。 而 ， 建 然 在耦合 模 型 的造 波信 号求 解 过程 中 ， 由于 波浪 的非线 性作 用 ， 使得计 算 ｌ的信号会 出现低 频 的慢漂 问题 ， 叶 Ｊ 这将 导致 造 波机 的位移 超 出 其 冲程 ， 使 物理 模 拟 难 以继 续 进 行 ， 致 因此 耦 合模 型 的 低 频 滤 波也 成 为 了模 拟 成 功 与否 的关 键 。ｈｎ Ｚ ａｇ和 Ｓｈｆｒ７ 其研究 报告 中普遍 采用 了一 阶高通 滤波法 进行 处理 ， ｃａ ｅ＿ｓ ｆ ＿在 但存 在 ２个 主要 问题 ： 是选择 合适 的高 一 通 特 征 的频 率 较 困难 ， 是会 导致 结果 偏小 。 二 为此 ， 文将 耦合 方 程摄 动展 开 并保 留Ｎ－ 本 ＜阶项 ， 分离 出了信 号 中线 性漂 移 值 ， 原 始信 号 中补偿 一 个相 反 的信 号 ， 在 有效 滤 除 了低频 漂 移项 ， 之 为线 性补 偿 法 。 称 通过 频
补偿滤波方法 。 合模 型中， 耦 数值模拟采用基 于改进 Ｂ ｕｓ ｅｑ ｏ ｓｉ ｓ 方程 的三角形 网格有 限元模型 ， ｎ 物理模拟 采用推板式造波机 。 中分析了耦合模型信号滤波的目的和 目标 ， 文 并通过造波信号频域的分析 ， 比了文 对 中方法与传统方法 在信号稳定性方面 的效果 ， 通过波浪耦合模拟实验对 比了波面的数模 与物模结果 。 实 验结果表 明， 与传统方法相 比， 文中方 法能有效解决造波信号 的慢漂 和计算值偏小 的问题 ， 信号 更加 稳