[发明专利]水池造波机的波浪模拟方法、装置和造波设备

说明书

本发明提供了一种水池造波机的波浪模拟方法、装置和造波设备，属于实验室波浪的物理模拟技术领域。本发明提供的水池造波机的波浪模拟方法、装置和造波设备，利用虚拟波浪域与物理波浪域联合(即“全域”)的办法，通过建立并数值离散两个域之间的完全非线性动边界微分方程，直接求得造波信号。不同于传统的线性解析解方法，该方法完全考虑波浪的非线性，无须在频域内求解复杂的水动力传递函数，有效提高了模拟精度和效率，减少了造波板运动的不协调现象，增加了波浪物理模拟的稳定性和实效性。而且，方法具有普适性、通用性，可适应于传统的单边直线型造波机、L型造波机、矩形造波机、圆形造波机，或者其他更复杂的平面任意形态造波机系统。

技术领域

本发明涉及实验室波浪的物理模拟技术领域，具体而言，涉及一种水池造波机的波浪模拟方法、装置和造波设备。

背景技术

在海岸、近海或海洋工程领域，波浪是一种关键的水动力载荷。模拟波浪并研究其对结构物的作用或破坏机理，可帮助人们认识波浪的威胁，以便为科学研究和工程设计提供技术指导。海洋波浪的物理模拟是研究波浪理论的重要方法，也是解决各类波浪相关问题的重要手段。采用造波机在实验室中生成物理波浪是目前研究波浪传播、破碎特性及其与涉海结构物相互作用的一种重要实验方法。实验室中所模拟的海洋波浪的精度将直接影响实验结果的准确性和可信度。

目前，实验室造波机在空间维度上一般可分为水槽二维造波机和水池三维造波机。水槽二维造波机按其垂向上造波设备的运动特性一般分为铰接式(包括推板式和摇摆式)、锤击式、气压式等，二维造波机的主要作用是生成二维波浪。将多块二维造波板排列一定的形状做往复运动，每块板的运动形成一个相位差就组成了三维造波机，通常叫做分段式造波机，造波时各造波板成蛇形运动，故又称“蛇形造波机”，较常见的形式是在四边形水池的其中一条边设置一条直线排列的分段式造波机。实际的海洋波浪具有多方向性、随机性，三维造波机可根据需求在实验室水池中造出具有多个方向的随机波浪，这对于模拟真实的海洋波浪环境及波浪对结构物的复杂作用具有重要的意义。

传统单边直线排列分段式三维造波机由于受波浪方向的限制，其有效范围一般比较窄，应用范围受到非常大的限制，如图1所示。为拓展波浪的有效范围，科研人员研制出多边分段式造波机，这些复杂的多边分段式造波机的共同特点是，在平面内不再是简单的一条边造波，而是多边进行甚至是任意曲线形状，所用的造波控制理论也非常复杂。如L型造波机，在其相邻两条边造波单元的交接处，如果进行简单的直角对接，如图2所示，导致在实际的多向三维波浪模拟过程中，出现水池大面积的无效波区，严重影响实验结果的准确性。为保证波浪空间分布的连续性和均匀性，在L型造波机相邻两条边造波单元的交接处，可以设置成“曲线过渡段”，如图3所示。对于该曲线过渡段，或者其他呈曲线形状的造波机，如圆形造波机等，不能采用简单的线性造波原理来计算造波信号。目前这类造波机的造波方程的推导均在半无限物理波浪域假定下进行(这里归类于“半域”方法)，即在造波板前局部范围推导板的运动方程。这类方法存在较大的技术缺陷：一方面，需要先假定造波信号条件，在势流理论框架下求解半无限域内速度势，得到水动力传递函数解析解，再通过目标波浪输入的波高、周期等参数反求造波机信号，因此该方法只适应于简单平面形态(如单边直线型等)的可理论得到速度势解析解的造波系统。而对更具工程应用意义、更复杂平面形态的造波系统，比如圆形、抛物线形、S曲线形、含曲线过渡段的L型等，因无法求得半无限域内的速度势解析解，从而无法得到水动力传递函数，造波信号的求解也就无计可施，完全是理论技术空白。另一方面，已有的平面三维造波技术需要大量用到Hankel、Bessel类函数来求解水动力传递函数，存在推导和计算过程异常复杂、繁琐冗长、容易导致造波板运动的不协调等问题。另外，对于L型、矩形、圆形等不同类型造波机，目前还没有形成一套统一普适的造波理论体系。

发明内容