0-85959

نشریه مهندسی دریــا سال یازدهم/ شماره22/ پاییز و زمستان 1394(75-82)
روش مناسب جداسازي انرژي امواج محلی از امواج دورآ در طیف فرکانسی موج
زبیده علیاري ، سید مصطفی سیادت موسوي2*

دانشجوي کارشناسی ارشد سازه هاي هیدرولیکی، دانشکده ي مهندسی عمران دانشگاه علم و صنعت ایران، zobeideh.aliyari@yahoo.com
استادیار، دانشکده ي مهندسی عمران دانشگاه علم و صنعت ایران، siadatmousavi@iust.ac.ir
اطلاعات مقاله

چکیده

چکیده

مدل هاي طیفی امواج و یا اندازه گیري هاي دو بعدي طیف موج، توزیع انرژي امواج را در فرکانس ها و جهات مختلف مشخص می کند، در حالی که بیش تر اندازه گیري هاي طیف موج، غیر جهتی است. در این پژوهش، تفکیک انرژي امواج به دو بخش دورآ و محلی مورد بررسی قرار گرفته است. برخی از این روش ها براي طیف فرکانسی بدون جهت، و برخی براي طیف جهت دار موج قابل استفاده هستند. در این پژوهش ،پس از معرفی روش هاي مختلف جداسازي، این روش ها براي یک سري داده ي اندازه گیري شده مورد بررسی قرار می گیرد. فرض بر این است که روش دوبعدي، اطلاعات دقیق تري دارد و روش یک بعدي در بهترین صورت، می تواند نتایجی شبیه به آن را داشته باشد. بر اساس نتایج، روش هاي ارل و هوانگ فرکانس جداسازي را کم تر از واقع انتخاب می کنند. روش پرتیلا با وجودي که این مزیت را دارد که فرکانس جداسازي حتما یکی از مینیمم هاي طیف اصلی است، اما به نوسانات طیف وابستگی زیادي دارد. تاریخچه مقاله:
تاریخ دریافت مقاله: 25/11/1393 تاریخ پذیرش مقاله: 02/12/1394

کلمات کلیدي:
موج محلی موج دورآ فرکانس پیک فرکانس جداسازي
بویه

Partitioning the Wave Spectrum into Wind Sea and Swell Components

Zobeideh Aliyari1, Mostafa Siadatmousavi2*

Master of Science Student, Civil Engineering School, Iran University of Science and Technology; zobeideh.aliyari@yahoo.com
Assistant Professor, Civil Engineering School, Iran University of Science and Technology; siadatmousavi@iust.ac.ir

ARTICLE INFO

ABSTRACT

ARTICLE INFO

ABSTRACT

Article History:
Received: 14 Feb. 2015
Accepted: 21 Feb. 2016
Wave models or two-dimensional measurements of wave spectrum, determine the distribution of wave energy over frequency and different directions. However most of spectrum measurements are not directional. In this study, we are planning to determine how much energy in waves comes from storms taken place in distant areas

Keywords:
Sea
Swell
Peak frequency
Separation frequency
Buoy

and old waves have reached the study areas (swells), and how much energy is from the transfer of energy from the local wind to the waves near the measuring device (wind sea). For separating wave spectrum into wind sea and swell components, several methods have been proposed. In this article, first we reviewed different methods of separation, and then all methods were evaluated for a set of measured data. Based on comparisons done in this study, we concluded that the Earle and Hwang methods underestimate separation frequency. As a result, swell wave height is underestimated and mean period of swell components is over-estimated by these methods. Although the method of Portilla intrinsically chooses one one of local minimum of spectrum as separation frequency, it seems that the method is highly dependent on spectrum noise.
محل هاي اندازه گیري، وقوع طیف دو پیک می تواند حتی بیشتر باشد [1].
وجود همزمان امواج محلی و دورآ میتواند به طور قابل توجهی بر طراحی هاي سازه فراساحلی، عملکرد قایق هاي کوچک و عبور کشتی از ورودي به بندر، و پیش بینی شکست موج اثر بگذارد .
شناسایی و جداسازي اجزاي موجِ محلی و دورآ تصویر واقع بینانه تري از وضعیت دریا فراهم میکند و از اهمیت زیادي براي کاربردهاي علمی و مهندسی برخوردار است. به طور خاص، در فرآیند کالیبراسیون مدل هاي موج، این مدل ها نوعاً امواج دورآ را کمتر از واقع و امواج محلی را بیشتر از واقع تخمین می زنند و بنابراین دور هي تناوب پیک و متوسط به درستی برآورد نمیشوند [2]. اگر کالیبراسیون براساس ارتفاع مشخصه ي حاصل از بخش موج محلی طیف و ارتفاع مشخصه ي حاصل از بخش موج دورآ انجام شود، این مشکل حل خواهد شد. بنابراین جداسازي طیف حاصل از مدل به دورآ و محلی براي مدل و داده هاي اندازه گیري ،امکان کالیبراسیون دقیقتر مدل را فراهم میآورد. مقایسه ي عملکرد مدلها در هر یک از سیستم هاي موج، یکی از کاربردهاي اصلی جداسازي طیف است که به صورت روزانه انجام می شود [3]. همچنین نوعا امواج دورآ با انرژي به مراتب کمتر از امواج محلی، ممکن است داراي فرکانسی شبیه به فرکانس طبیعی سازه هاي نیمه شناور باشند و بنابراین اگر طراحی تنها بر اساس فرکانس غالب باشد، اثر امواج دورآ در نظر گرفته نمیشود، در حالی که این امواج دورآ ممکن است موجب تشدید دینامیکی سازه شوند. همچنین بخش امواج ناشی از باد می تواند در تشدید سازه هایی از نوع سکو ثابت دریایی فعال باشد، و بنابراین معرفی دو دستهي داده به عنوان ارتفاع موج و دورهي تناوب براي امواج محلی و دورآ ،دیدي واقعی تر براي طراحان چنین سکوهایی ایجاد خواهد کرد [1]. در مطالعات اخیر هیدرودینامیکی موج مناطق متعددي از دنیا از این روش استفاده شده است. براي مثال مشخص کردن زمان هایی که امواج دورآ از محلی در هند قوي تر هستند [5,4]، یا تعیین رشد امواج ناشی از باد [6]، یا استفاده از همجوشی دادهها براي بهبود کیفیت پیش بینی مدل سازي هاي موج [7] و شرایط هیدرودینامیکی اقیانوس آرام در نزدیکی کلمبیا [8] اشاره کرد.
الگوریتم هاي جداسازي، یا بر روي طیف یک بعـدي انـرژي (طیـففرکانس و بدون اطلاعات جهـت ) و یـا بـر طیـف دوبعـدي (طیـفجهت دار) اعمال میشوند. اگرچه روش دوبعدي اطلاعات بیشتـريدارد و قاعدتاً مناسب تر است، اما معمولا داده هاي مورد نیاز آن ها در دسترس نبوده و بنابراین یافتن روش جداسازي یکبعـدي مناسـبدر کاربردهاي عملی بسیار راه گشا خواهد بود. در ادامه مـروري بـر الگوریتم هاي جداسازي یک بعدي و دو بعدي در بخش دوم و سوم ارائه می شود، و سپس داده هاي میدانی براي مقایسـه ي روش هـايمختلف در بخش چهارم مورد استفاده قرار می گیرد، و جمـع بنـديمقایسه ها در فصل پنجم ارائه خواهد شد.

2- روش جداسازي موج محلی و دورآ از طیف یک بعدي موج الف) روش ارل [9]
در این روش از این موضوع استفاده می شود که طیف پیرسون-مسکویچ بیانگر موج کاملا توسعه یافته ي موج است. فرکانس پیک ،
، در این طیف بر حسب سرعت باد محلی، 10 ، برابر است با:
=

.

فرکانس جداسازي امواج دورآ از امواج محلی که با نشان داده میشود، اندکی کم تر از فرکانس پیک معرفی می شود. لازم به ذکر است که به دلیل شکل طیف که در فرکانس هاي قبل از پیک داراي شیب زیاد و در فرکانس هاي بعد از فرکانس پیک، داراي شیب کم است، نیازي به کاهش زیاد مقدار فرکانس پیک براي یافتن فرکانس جداسازي نیست. در این پژوهش مقدار آن را به شکل رابطهي (2) در نظر گرفتند که در آن 8.0= پیشنهاد شده است.
=
ب) روش مبتنی بر تابع تیزي ونگ و گیلهوسن [9] براي جداسازي موج محلی و دورآ با استفاده از طیف یک بعدي موج میتوان طبق روش تیزي موج عمل کرد. ایده ي اساسی این است که تیزي موج محصول عدد موج و ارتفاع موج است، بنابراین سهم مولفه هاي موج دورآ به دلیل طول موج هاي بلندشان (اعداد موج کوچک) در تیزي موج تقریبا ناچیز است. براي جداسازي موج محلی-دورآ، تابع تیزي موج به عنوان نسبت ارتفاع موج H و طول موج L، انتگرال گیري شده از یک فرکانس اولیهي انتخاب شده، تا حداکثر فرکانس طیف موج تعریف میشود. نشان داده میشود که پیک تابع تیزي موج بسیار نزدیک به پیک بخش موج محلی طیف است. با این تفاوت که تابع تیزي، بر خلاف تابع طیف انرژي موج ،بسیار ملایم و فاقد نوسانات شدید است. با توجه به مطالب فوق ،تابع تیزي به شکل زیر است:
123952069519

( ) =

=(( )) =(( )) (3)

که در آن فرض آب عمیق براي یافتن طول موج استفاده شده، و در ضمن:
( ) = ∫( ′)′ (4)

1540256533351

در رابطه ي (4) منظور از و به ترتیب فرکانس حداقل و حداکثري است که طیف براي آن تعریف شده است. روابط ارتفاع موج در هر فرکانس ( ) 4 = ( ) و پریود متوسط ( ) ⁄( ) = ( ) در رابطه ي( 3) استفاده
شده اند.
فرکانسی را که تابع تیزي در آن حداکثر می شود 0 نامیده می شود. حالا فرکانس جداسازي بر اساس 0 به صورت زیر تعریف میشود:
= (5)

که پیشنهاد مولفان مقاله، استفاده از 59.0= است.
جذابیت این روش به این دلیل است که تابع تیزي به مراتب آرامتر از طیف انرژي موج تغییر می کند و می تواند به راحتی براي یافتن ماکزیمم و مینیمم آن اقدام کرد.

ج) روش مبتنی بر تابع تیزي ونگ و هوانگ [1] در روش پیشنهادي ارل فرکانس جداسازي با سرعت باد به طور معکوس وابسته است [9]، و رابطه بر اساس طیف پیرسون-مسکویچ است. در روش ونگ و گیلهوسن نیز تابع تیزي تعریف شد و فرکانس پیک آن به صورت 0 معرفی گردید که بر اساس آن فرکانس جداسازي تعریف گردید. در این پژوهش، ابتدا تابع تیزي براي طیف پیرسون-مسکویچ به کار برده شد، و مقدار فرکانس پیک آن تعیین شد. در ادامه براي سرعت باد و فرکانس 0 به دست آمده براي طیف پیرسون-مسکویچ رابطهاي رگرسیونی به شکل = برازش داده شد. پس فرض شد مرز بین
امواج محلی و دورآ جایی است که سرعت باد با سرعت فاز موج () برابر شود، زیرا امواج محلی با سرعتی کمتر از باد بوده و تحت اثر آن هستند، پس =. از طرفی در آب عمیق نیز مقدار

= است. با ترکیب این روابط خواهیم داشت:
= (6)
که بر اساس رگرسیون انجام شده، مقادیر 211.4= و 647.1=به دست آمده است. مزیت این روش این است که براي یافتن فرکانس جداسازي، نیازي به دانستن سرعت باد نیست.

د) روش مبتنی بر تابع تیزي گیلهوسن و هروي [11] در این پژوهش، فرکانس جداسازي به صورت زیر تغییر داده شد

(7) (9.0,75.0) max =که در آن مقدار 0 پیک تابع تیزي است و در رابطه ي( 1) معرفی گردید.

ه) روش انتگرالگیري طیفی هوانگ و همکاران [12] روش معرفی شده در بخش(ج) در سرعت هاي باد کم چندان خوب جواب نمی دهد [13]. براي رفع این مشکل، ابتدا این روش مورد تحلیل قرار گرفت و نتیجه گرفته شد که فرض 1 =

براي امواج جوان مناسب نیست و این عدد می تواند تا حدود 3/0کاهش یابد. همچنین طیف مورد استفاده براي آن، در بخش فرکانس هاي زیاد (بخش تعادلی طیف) به فرم 5− کاهش می یابد در حالی که تحقیقات جدید نشان داده است که فرم 4− شکل طیف را بهتر توصیف می کند [14] (رابطه ي13را ببینید). براي چنین توابعی از طیف، تابع تیزي ممکن است بیش از یک پیک داشته باشد.
بنابراین براي رفع مشکل، تابعی به فرم زیر تعریف گردید
(8)

توجه کنید که تابع معرفی شده در رابطه ي بالا به نوعی تعمیم یافته ي تابع تیزي است، و به ازاي 0= شکل تعریف شده تنها ضریب عددي با تابع تیزي تفاوت دارد. فرکانس پیک تابع معرفی شده در رابطه ي بالا به صورت معرفی گردید. سپس با استفاده از طیف دانلن و همکاران [15] و یک مولفه ي موج دورآ با تابع گوسی، مشخص شد براي جداسازي، استفاده از 1=b بهترین نتیجه را میدهد و با استفاده از رگرسیون، رابطهي فرکانس جداسازي مناسب به صورت زیر به دست آمد:
= 24.2084 − 9.2021 +
1.8906 − 0.0486 (9)

و) روش جداسازي مبتنی بر حذف پیک هاي غیراصلی پرتیلا [13] در این روش چهار شرط مشخص می شود تا پیک هاي غیراصلی حذف شود:
همه ي پیک هایی که در بخش فرکانس بالاي طیف هستند به حساب نویز در بخش امواج محلی گذاشته می شود. براي این منظور پیک ها از فرکانس مشخصی (در محدوده ي 35/0-4/0 هرتز به بالا در نظر گرفته نمی شوند)
بخش هایی با انرژي کم حذف می شوند. براي این منظور اگر انرژي اختصاص یافته به یک پیک بین 5 تا 8 درصد انرژي کل باشد، این پیک نویز تلقی می شود.
همچنین اگر در گسسته سازي فرکانسی طیف، فقط تعداد محدودي بازه ي فرکانس به یک پیک اختصاص یابد این پیک نویز محسوب می شود.
چون حداکثرهاي اصلی قرار است باقی بماند، بنابراین اگر یکحداکثر بین دو حداکثر دیگر قرار گیرد و مقدار آن از هر دو همسایه اش کمتر باشد، این پیک حذف می شود.
به نظر می رسد اگر طیف دچار نویز زیادي باشد، شرط 2 سبب شود که سیستم موجی که طیف پهنی داشته باشد و داراي نوسان زیادي باشد و هر بخش آن چند درصد باشد کلاً حذف شود هر چند در مجموع بیش از حتی 10 درصد انرژي را نیز داشته باشد. بنابراین در این شرایط باید شرط 2 را با حداقل انرژي کمتري به کار برد.
براي شناسایی امواج محلی یا دورآ از پیک هاي نهایی نیز یک روش پیشنهاد شده است که در آن مقدار انرژي طیف متناظر با فرکانس هاي حداکثري محاسبه می شود (با قرار دادن 1800.0= و = و 1= در رابطه ي طیف جانسواپ).
بنابراین مقدار انرژي طیف پیرسون-مسکویچ برابر خواهد بود با:
=(

)



قیمت: تومان

دسته بندی : مهندسی دریا و بندر

دیدگاهتان را بنویسید