Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-409
Main Title: Synthesizing Nonlinear Transient Gravity Waves in Random Seas
Translated Title: Synthese nichtlinearer transienter Schwerewellen in stochastischen Seegängen
Author(s): Steinhagen, Ulrich
Advisor(s): Clauss, Günther
Referee(s): Clauss, Günther
Thiele, Frank
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät V - Verkehrs- und Maschinensysteme
Type: Doctoral Thesis
Language: English
Language Code: en
Abstract: Die Ozeane bedecken mehr als zwei Drittel der Erdoberfläche und bestimmen maßgeblich die Umweltbedingungen für den Entwurf, die Installation und den Betrieb maritimer Systeme. Die Strukturbelastungen werden allgemein vom Seegang dominiert, wobei auch den Wirkungen von Wind, Strömung, Eis und Erdbeben in Abhängigkeit des Einsatzgebietes eine große Bedeutung zukommen kann. Die genaue Kenntnis der Hydrodynamik von Schwerewellen sowie deren komplexe Wechselwirkung mit maritimen Systemen stellt eine wesentliche Voraussetzung für den sicheren und wirtschaftlichen Betrieb dar. Zunehmend interessieren Extremsituationen, bei denen sich außergewöhnlich hohe Wellen im stochastischen Wellenfeld entwickeln. In der vorliegenden Dissertation wird ein neues Verfahren zur computergestützten Synthese nichtlinearer transienter Schwerewellen im stochastischen Seegang vorgestellt. Das Ziel der Arbeit besteht darin, ein vielseitig einsetzbares Analyse- und Entwicklungswerkzeug bereitzustellen, um detaillierte experimentelle und numerische Untersuchungen von extremen Wellenereignissen zu ermöglichen. Ausgehend von der potentialtheoretischen Beschreibung des zweidimensionalen nichtlinearen Strömungsproblems werden hohe deterministische Einzelwellen und Wellengruppen gezielt im stochastischen Wellenfeld synthetisiert. Hierzu werden in einem zweistufigen Prozeß moderne Optimierungsalgorithmen der Nichtlinearen Programmierung angewendet. Zur Bestimmung einer ersten Näherungslösung werden bei der potentialtheoretischen Beschreibung der Strömung die Oberflächenrandbedingungen linearisiert. Dies erlaubt die analytische Darstellung des Wellenzugs durch Superposition unabhängiger, harmonischer Elementarwellen. Insbesondere kann die Berechnung der zeitlichen und räumlichen Ausbreitung durch Verwendung der schnellen Fourier-Transformation effizient im Frequenzbereich erfolgen. Für ein vorgegebenes Fourier-Spektrum werden die gewünschten Eigenschaften des linearen Wellenzugs durch Anwendung der Sequentiellen Quadratischen Programmierung erzeugt, die ein zufälliges Phasenspektrum entsprechend modifiziert. Zur Simulation der nichtlinearen Wellenausbreitung im numerischen Wellenkanal wird ein Rechenprogramm entwickelt, dem die gemischte Euler-Lagrange-Formulierung des Anfangs-Randwertproblems zugrunde liegt. Zur Lösung der Laplace-Gleichung für Neumann- und Dirichlet-Randbedingungen wird die Methode der finiten Elemente eingesetzt. Die Integration in der Zeit erfolgt mit der klassischen Runge-Kutta-Methode vierter Ordnung. Störende Reflexionen am Kanalende werden durch ein effizientes numerisches Absorptionsverfahren vermieden. Die Berechnungsergebnisse werden systematisch verifiziert und anhand von experimentellen Meßdaten validiert. Eine deutliche qualitative Verbesserung der ersten Näherungslösung wird durch die Anwendung eines modifizierten Simplex-Algorithmus unter Berücksichtigung der nichtlinearen Wellenausbreitung im numerischen Wellenkanal erreicht. Hierbei wird gezielt der Ausschnitt der Wellenblattbewegung verändert, der für die Entwicklung der zu synthetisierenden Extremwellen im stochastischen Wellenfeld verantwortlich ist. Zur Reduzierung des hohen Rechenaufwandes wird die diskrete Wavelet-Transformierte der Wellenblattbewegung bestimmt, die die Selektion einer geringen Anzahl von freien Variablen ermöglicht. Das neu entwickelte Verfahren zur Synthese nichtlinearer transienter Schwerewellen im stochastischen Seegang wird exemplarisch anhand einer Einzelwelle sowie einer Wellengruppe dargestellt. In beiden Fällen belegen die Ergebnisse die exzellente Übereinstimmung der generierten Wellenzüge mit den Zielvorgaben und damit die Wirksamkeit des Verfahrens.
The oceans cover more than two thirds of the earth's surface and present a unique set of environmental conditions which govern the design, installation, and operation of marine systems. In general, structural loads are dominated by the wave field. Depending on the operating site, the effects of wind, currents, earthquakes or ice may be of great importance as well. The profound knowledge of the hydrodynamics of gravity waves and their complex interaction with marine systems is a necessary prerequisite for safe and efficient system operation. Attention is increasingly being paid to extreme environmental conditions with unexpected large waves developing in the random wave field. In this dissertation, a new procedure is presented for computer-aided synthesizing of nonlinear transient gravity waves in random seas. The aim of the study is to provide a multi-purpose analysis and development tool for performing detailed experimental and numerical investigations of extreme wave events. Large deterministic single waves and wave groups are synthesized into random seas with the two-dimensional nonlinear free surface flow problem described by potential theory. This is achieved by a two-stage procedure applying modern optimization algorithms used in nonlinear programming. To obtain a first approximation of the solution, the free surface boundary conditions of the potential flow problem are linearized. This allows a description of the wave train as the superposition of independent harmonic component waves. In particular, the temporal and spatial evolution can be calculated efficiently in the frequency domain by introducing the fast Fourier transformation. For a given Fourier spectrum, the desired characteristics of the linear wave train are generated by applying sequential quadratic programming which modifies an initially random phase spectrum. A computer program is developed to simulate the nonlinear wave evolution in the numerical wave tank. The simulation procedure is based on the mixed Eulerian-Lagrangian formulation of the nonlinear initial boundary value problem. The Laplace equation is solved for Neumann and Dirichlet boundary conditions by the finite element method. The solution is developed in time domain with the classical fourth-order Runge-Kutta formula. Reflections at the end of the wave tank are avoided by an efficient absorption technique. Numerical results are verified systematically and validated by laboratory data. A significant improvement of the first approximation is achieved by applying a modified simplex method considering the nonlinear wave evolution in the numerical wave tank. A particular part of the wave board motion, which is responsible for the evolution of the extreme waves to be synthesized in the stochastic wave field, is changed. To decrease the high computer costs, the discrete wavelet transform of the wave board motion is determined, enabling the selection of only a few free variables of the associated fitting problem. The new procedure for synthesizing nonlinear transient waves in random seas is presented exemplarily for a single wave and a wave group. In both cases, the results confirm the excellent agreement of the generated wave trains with the target parameters proving the effectiveness of the procedure.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-3114
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/706
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-409
Exam Date: 11-May-2001
Issue Date: 13-Dec-2001
Date Available: 13-Dec-2001
DDC Class: 600 Technik, Technologie
Subject(s): Meerestechnik
Methode der finiten Elemente
Nichtlineare Programmierung
Nichtlineare Wellen
Numerischer Wellenkanal
Wavelet-Analyse
Finite element method
Nonlinear programming
Nonlinear waves
Numerical wave tank
Ocean engineering
Wavelet analysis
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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