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Spectral Analysis and non-linear high wave groups in wind generated sea states

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1 LIST OF CONTENTS Introduction...…..........................................................................................................….4 Chapter 1 Waves in the sea ............................................................................................. 6 1.1 Random sea waves behavior.................................................................................. 6 1.2 The sea state .......................................................................................................... 7 1.3 The theory of sea states ......................................................................................... 8 1.4 Basic relations in the theory of sea states ............................................................ 10 1.4.1. The relation between Tp and Hs .................................................................. 11 1.4.2. Narrow bandedness parameter * y .............................................................. 13 1.5. The sea states in time domain .............................................................................. 15 1.5.1. The surface displacement as a stationary ergodic Gaussian random process 15 1.5.2. The mean wave period defined from Rice’s problem’s corollaries ............. 16 1.5.3. The probability of crest elevation and wave height ..................................... 17 1.5.4. The case of general bandwidth spectrum ..................................................... 19 1.6. The sea states in the space-time domain .............................................................. 22 1.6.1. Expression of the free surface displacement and velocity potential in space- time domain ................................................................................................................. 22 1.6.2. Space-time covariances ............................................................................... 23 Chapter 2 Spectral analysis of random waves ............................................................ 25 2.1. Frequency spectra of sea waves ........................................................................... 25 2.2. Characteristics of wave spectra ........................................................................... 26 2.3. Methods of spectral estimation ............................................................................ 26 2.3.1. The Blackman-Tukey method ..................................................................... 27 2.3.2. The direct Fourier transform method ........................................................... 29 2.3.3. The maximum entropy method .................................................................... 30 2 2.4. Wave spectral formulations ................................................................................. 30 2.4.1. Pierson-Moskowitz spectrum (1964) ........................................................... 30 2.4.2. JONSWAP spectrum (1964) ....................................................................... 31 2.5. Spectral form associated with swell .................................................................... 32 2.5.1. Wind waves superimposed on swell ............................................................ 33 2.5.2. Analytical representation of bimodal spectra .............................................. 35 2.5.3. Effects of bimodal spectra on wave surface profile ..................................... 38 2.6. Identification of multimodal sea wave spectra .................................................... 39 Chapter 3 Analysis of data ............................................................................................ 42 3.1. Instrumentation .................................................................................................... 42 3.1.1. Buoys ........................................................................................................... 42 3.1.2. Pressure transducer ...................................................................................... 43 3.1.3. EMI laser ..................................................................................................... 43 3.1.4. Marex radar.................................................................................................. 44 3.2. Data length and time interval of data sampling ................................................... 44 3.3. Numerical filtering of data .................................................................................. 45 3.4. Numerical simulation of random sea wave ......................................................... 45 3.4.1. Numerical simulation of random sea wave: an example ............................. 46 Chapter 4 The theory of Quasi-Determinism ............................................................. 51 4.1. Introduction ......................................................................................................... 51 4.2. Two version of the theory .................................................................................... 54 4.3. The second formulation of the Quasi Determinism Theory ................................ 54 4.3.1. A sufficient condition for occurrence of a wave of given height very large54 4.3.2. Proof that (4.1) is a sufficient condtion ....................................................... 58 4.3.3. A necessary condition for occurrence of a wave of given height very large 60 4.3.4. Proof that (4.1) is a necessary condition ...................................................... 62 4.3.5. The water surface on space-time if a wave of given height very large occurs at a fixed point ............................................................................................................. 62 4.4. The first formulation of the Quasi Determinism Theory ..................................... 67 3 4.5. The first way to employ the theory ...................................................................... 69 4.5.1. The linear deterministic Wave Group in an undisturbed field ..................... 69 4.5.2. The deterministic Wave Group to the Second-Order in a Stokes Expansion 69 4.6. The second way to employ the theory ................................................................. 73 4.7. The genetic code of the sea waves ....................................................................... 74 Chapter 5 Data analysis from North Alwyn jacket platform .................................... 76 5.1. Introduction ......................................................................................................... 76 5.2. Data record .......................................................................................................... 77 5.3. The filtering of data ............................................................................................. 78 5.4. The spectral analysis of data ................................................................................ 82 5.4.1. Line spectrum, continuous spectrum and autocovariance function ............. 82 5.4.2. The classification of the spectra .................................................................. 84 5.4.3. Results from the spectral classification ....................................................... 87 5.4.4. The spectral time history to confirm the hypothesis about swell ................ 96 5.4.5. The theoretical spectra ................................................................................. 99 5.4.6. The probability of exceedance of crests and trough .................................. 100 5.4.7. The non-linear deterministic wave profile ................................................. 100 5.4.8. Comparison between the deterministic wave profile with the mean of the first 10 higher waves.................................................................................................. 104 Conclusions............................................................................................................... 109 References................................................................................................................. 111 Appendix A.................................................................................................................114 Appendix B.............................................................................................................. . 127
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Spectral Analysis and non-linear high wave groups in wind generated sea states

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Informazioni tesi

  Autore: Federica Maria Strati
  Tipo: Tesi di Laurea Magistrale
  Anno: 2012-13
  Università: Università degli Studi di Reggio Calabria
  Facoltà: Ingegneria
  Corso: Ingegneria Civile
  Lingua: Inglese
  Num. pagine: 178

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