水池造波技术及发展概况

水池造波技术及发展概况
摘要:本文阐述了实验水池中造波机及其理论的研究。

结合造波技术的发展趋势,概述了国内外现有的波浪模拟技术。

关键词:造波机波浪模拟吸收式造波
波浪是海洋中非常重要的自然现象,不仅是海岸与海洋工程建筑物以及船舶收到的主要载荷,也是引起海岸泥沙运动的主要动力之一。

因此,海洋波浪模拟作为一项重要技术,对此的研究在船舶、港口、海洋工程等领域占有重要的位置,也有着极大的现实意义。

随着海洋工程的发展,新的海洋环境对造波技术及波浪模拟提出了更高的要求。

1 造波机及波浪模拟技术
众所周知,海浪是一种三维的随机过程,其周期、波高均随即变化。

在实验室中,我们通常使用规则波、二维不规则波、二维方向波及三维不规则波来对海浪进行描述。

通俗的说,只要对水面进行扰动, 水面就会有波浪产生。

造波机即为给水以扰动的机械用于模拟波浪。

1.1 造波机的发展
我国在造波方面的研究工作从二十世纪五十年代起步,最初使用的造波装置主要是简单的电气装置。

到七十年代中期,开始逐渐采用模拟信号装置来控制。

随着科技的发展,如今已完全采用计算机进行
造波控制。

目前,主要的造波机类型可分为:摇板式,推板式,冲箱式以及空气式造波机。

其中,摇板式和推板式造波机应用最广泛,因为这两者具有结构简单、控制方便、便于维护的特点。

摇板式一般应用于深水域造波,而推板式一般运用于浅水域造波。

其工作原理及示意图如下表1。

拥有性能良好的造波系统是提高波浪模拟技术的重要一环。

1.2 实验室波浪模拟技术
天然波浪是很复杂的,人们对它的认识和研究过程是由简到繁,由浅入深的,即由单向规则波→斜向规则波→单向不规则波→多向不规则波。

实验室中,把波浪分为规则波及不规则波两种。

规则波模拟:在一般情况下,将实验中使用的规则波定义为二元微幅进行波。

即正弦波。

对于线性造波系统,只要输入一正弦的控制信号电压,就可以造出相应的正弦波来。

将试验所需规则波的波高除以造波机的传递函数,就可以得出信号电压的幅值,而所需的周期就是信号电压变化的周期。

不规则波模拟:在自然界中,实际的海浪属于不规则波。

其特点是波浪的波高和周期大小的随机变化的,因此无法简单地给出确定的特性值。

将海浪看成一个平稳的随机过程,由多个不同周期和不同随机初位相的余弦波叠加而成。

实验中,通常通过波浪的特征量,如波高、周期、波速等,应用的波浪谱来描述。

2 无反射造波
当波浪遇到障碍物时,会发生部分或全部的反射。

在自然条件下,海洋结构物所处的海域环境是一个开放的边界,反射波随后传向无边的外部海域,在这个过程中,反射波不断地衰减直到消失。

而在实验室波浪模拟试验中,不可能建造无限大的水池或水槽。

因此一段时间内一部分波浪会传播到水池的尽头产生反射波,反射波以与入射波相反的方向传播,遇到造波板上,又形成了二次反射波。

在封闭的环境中,反射波与入射波反复相遇,多次来回反射产生干扰,很大程度上影响了波浪的质量,也影响了整个实验的准确度和精度。

为了解决这个问题,研究人员想到加长实验水池的长度,或是减短造波的时间,但这都不能有效解决问题。

在这种情况下,无反射造波技术便应运而生,造波机也向着吸收式造波的方向发展。

目前,国内外对消波技术的研究也不断深入,实验室有两种常用的消波方式称为主动消波和被动消波。

被动消波:在水池中设置消波器及填充材料,对造波板与池壁间的反射波进行削减,主要的消波器形式有斜坡式和直立式。

被动式消波系统可以在一定程度上吸收一次反射波,不能消除二次反射波。

而主动式消波系统能够使生成的波总是保持在一个较为理想的状态。

所谓主动消波是通过在造波板上或板前安装波高仪,测量反射部分,然后加给发生器一种与原来运动反向的信号,从而获得吸收反射波的效果。

3 结语与展望
综上所述,人们现阶段对造波机波浪模拟技术的研究达到相当深
度。

其中造波系统和消波技术是对模拟波浪研究中重要的两个环节。

相信学者对现有理论和实验成果的进一步探究,必定能推动海洋波浪模拟技术的快速发展,模拟出更接近实际海况的实验环境,便于操作计算,并作为研究基础,推动中国海洋工程的发展。

参考文献
[1] 刘月琴,尹尚生.实验室造波设备及波浪模拟技术的探讨[J].华南理工大学学报(自然科学版),2000(28):6.
[2] 顾挺锋.海洋工程水池波浪生成的数值模拟[C].哈尔冰工程大学,2009.。