（流体力学专业论文）主动吸波式造波机造波原理研究.pdf

哈尔滨i ：稃人学硕十学位论文 摘要 由于对海洋资源的需求越来越来迫切，国内外对海洋工程的研究越来越 多。装备传统造波机的水池已经不能满足海洋工程研究的需要。国内外科研 机构开始研究具有主动吸波功能的造波机，但是在物理水池中成功地应用还 非常少，因此对吸收式造波技术的研究具有十分重要的工程意义。哈尔滨工 程大学新建一长宽高= 5 0 x 3 0 x1 0 米的海洋工程实验水池。针对该工程， 探讨了主动吸波式造波技术的可行性。 本文首先在势流理论和线性微幅波基础上，推导传统造波机造波原理， 进一步详细地推导吸收式造波机造波原理。采用面元法，建立了二维线性数 值波浪水池，并采用求解边界积分方程校核数值计算精度。通过数值模拟的 结果与解析解的比较以及计算边界积分方程表明：计算精度满足要求；数值 解和解析解吻合的很好。可以认为该数值波浪水池是适用的。 首次采用全相位频谱分析理论作为水动力反馈的理论基础。通过计算机 构造信号源，用全相位频谱分析理论分析信号，并且与传统的频谱分析方法 比较。试验结果说明：全相位频谱分析能够得到准确的频率、波高、相位。 在以上的基础上，把全相位频谱分析和数值波浪水池结合，以全相位频 谱分析作为水动力反馈，分别在推板式和摇板式造波机中进行主动吸收式造 波数值仿真试验。通过仿真试验表明：采用全相位频谱分析作为水动力反馈， 能够有效的减弱波浪的二次反射。 为了进一步研究吸收式造波技术，以i t t c 单参数谱为目标谱，采用不 同的离散方法对二维随机海浪进行了仿真，并对离散的单参数谱所模拟的波 高时历进行谱估计，与目标谱比较，吻合得比较好。 关键词：主动吸波；造波机；面元法；数值水池；全相位；频谱分析 哈尔滨t 稃大学硕+ 伊论文 a b s t r a c t t h a n k st ot h eu r g e n c yf o rt h en e e do fo c e a nr e s o u r c e s ，t h er e s e a r c ho no c e a n e n g i n e e r i n gb e c o m em o r ea n dm o r eb yt h es c h o l a r sd o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a l t h et a n ke q u i p p e dw i t ht r a d i t i o n a lw a v e m a k e rc a n ts a t i s f yt h ed e m a n do ft h e r e s e a r c ho no c e a ne n g i n e e r i n g d o m e s t i ca n di n t e r n a t i o n a lr e s e a r c ho r g a n i z a t i o n s b e g i nt h er e s e a r c h o nt h ew a v e m a k e rw h i c hh a sa b s o r p t i o n w a v e m a k i n g f u n c t i o n s h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t yn e w l yb u i l d sa no c e a ne n g i n e e r i n gt e s t t a n kw i t ht h el e n g t hb yb r e a d t hb yh e i g h ti s5 0 x 3 0 x10m e t e r a i ma tt h ep r o j e c t ， t h ep a p e rd i s c u s s e st h ep o s s i b i l i t yo fa c t i v ea b s o r p t i o nw a v e m a k i n gt e c h n o l o g y f i r s t l y , b a s eo nt h ep o t e n t i a lf l o wt h e o r ya n dl i n e a rm i c r o - a m p l i t u d ew a v e t h e o r y , t h ep a p e rd e d u c e s t h ew a v e m a k i n gp r i n c i p l e f i r s t l y f o rt r a d i t i o n a l w a v e m a k e ra n df u r t h e rf o ra b s o r p t i o nw a v e m a k e ri nd e t a i l s t h ep a n e lm e t h o di s a d o p t e dt ob u i l da2 dl i n e a rn u m e r i c a lw a v et a n k ，a n dt h em e t h o do fc a l c u l a t e b o u n d a r yi n t e g r a le q u a t i o ni sa d o p t e dt oc o r r e c tn u m e r i c a lc a l c u l a t i o na c c u r a c y a c c o r d i n gt ot h ec o m p a r a t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o nr e s u l t sa n da n a l y t i c a l s o l m i o n ，a n dc a l c u l a t eb o u n d a r yi n t e g r a le q u a t i o ni n d i c a t e ：t h ec a l c u l a t i o n a c c u r a c ys a t i s f i e sar e q u e s t ；n u m e r i c a ls o l u t i o na n da n a l y t i c a ls o l u t i o nf i tt o g e t h e r v e r yw e l l s ot h en u m e r i c a lw a v e t a n ki sc o n s i d e r e da p p l i c a b l e a l l p h a s es p e c t r u ma n a l y s i st h e o r y i s a d o p t e d a st h ef o u n d a t i o no f h y d r o d y n a m i cf e e d b a c kf o rt h ef i r s tt i m e t h ep a p e rc o n s t r u c t ss i g n a ls o u r c e s t h r o u g ht h ec o m p u t e r ，a n a l y z es i g n a l sb ya l lp h a s es p e c t r u ma n a l y s i st h e o r y ，a n d c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a ls p e c t r u ma n a l y s i sm e t h o d s e x p e r i m e n tr e s u l t si n d i c a t e ： a l lp h a s es p e c t r u ma n a l y s i sc a ng e ta c c u r a t ef r e q u e n c y 、a m p l i t u d ea n dp h a s e b a s eo nt h ea b o v e ，t h ep a p e rc o m b i n e sa l lp h a s es p e c t r u ma n a l y s i sw i t h n u m e r i c a lw a v et a n k ，t a k ea ll p h a s es p e c t r u ma n a l y s i sa sh y d r o d y n a m i cf e e d b a c k ， c a r r i e do nn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt e s to fa c t i v e a b s o r p t i o nw a v e - m a k i n gi n 哈尔滨丁稃大等：硕十学伊论文 p i s t o n t y p ea n df l a p t y p ew a v e m a k e rr e s p e c t i v e l y t h es i m u l a t i o nt e s tm a k e s c l e a r ：t a k i n ga l lp h a s es p e c t r u ma n a l y s i sa sh y d r o d y n a m i cf e e d b a c kc a nw e a k e n t h es e c o n dr e f l e c t e dw a v ee f f e c t i v e l y f i n a l l y , f o rt h ef u r t h e rr e s e a r c ho na b s o r p t i o nw a v e m a k i n gt e c h n o l o g y , t h i s p a p e rt a k e st h ei t t cs i n g l ep a r a m e t e rs p e c t r u ma st h et a r g e ts p e c t r u m ，a d o p t sa d i f f e r e n td i s p e r s e dm e t h o dt os i m u l a t i n g2 dr a n d o mo c e a nw a v e ，e s t i m a t e st h e o c e a nw a v ea m p l i t u d er e l a t e dt ot i m ew h i c hi ss i m u l a t e db yt h ed i s p e r s e ds i n g l e p a r a m e t e rs p e c t r u m i tf i tt h et a r g e ts p e c t r u mb e t t e rw h e nc o m p a r e s k e yw o r d s ：a c t i v ew a v ea b s o r p t i o n ；w a y e m a k e r ；p a n e lm e t h o d ；n u m e r i c a l t a n k ；a l lp h a s e ；s p e c t r u ma n a l y s i s 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献等的引用已 在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：拜嗽 日期：洲。年多月r 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( r d 在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 ”7 作者( 签字) 徽 导师( 签字) ： j 与 反_ 日期：m 年岁月日2 口d 夕年5 月t 日 哈尔滨f ：拌人学硕十学伊论文 第1 章绪论 1 1本文研究目的与意义 随着地球上陆地资源的日益匮乏，海洋油气等资源开发速度越来越来快， 对海洋工程的研究得到了快速的发展。2 1 世纪是海洋资源开发的新世纪，世 界各国把开发海洋、发展海洋经济和海洋产业作为国家发展的战略目标。海 洋工程模型试验时，需要长时问的造波，研究其在波浪中的水动力性能，考 核海洋工程的运行、安全性能。但是在大部分的水池中，不能长时间生成符 合要求的目标波浪。为了解决这一问题，国内外科研机构开始研究具有主动 吸收功能的造波机，但是国内外科研机构成功地把主动吸收式造波技术应用 到物理水池中还很少，因此对主动吸收式造波技术的研究具有十分重要的工 程意义。 自然条件下，船舶或海洋工程结构物所处的海域环境是一个开放的边界， 海浪在船舶或海洋工程结构物表面产生反射，反射波在开放的边界中不断衰 减直到消失，反射波的能量也随之全部耗散。而在实验室的环境中，由于水 池的尺度限制，反射波的能量不能全部耗散，反射波在碰到池壁时发生反射 ( 即二次反射) ，二次反射是真实海洋中没有的，从而影响了实验结果的准确 性和可靠性。因此，为了避免上述的不利影响，提高实验结果的准确性和可 靠性，在进行船舶或海洋工程结构物实验时采取吸收反射波的措施具有重要 的现实意义。目前所采用的吸收反射波的方法有两种：被动吸收和主动吸收。 主动吸收是相对于被动吸收而言的，在水池中，目前国内外广泛采用的是被 动波浪吸收方法，被动波浪吸收系统可以在一定程度上吸收一次反射波，但 不能消除二次反射波。主动波浪吸收系统包含两方面的含义：一是这个系统 能够造出符合试验精度要求的波浪；二是在造波的同时，这个系统能够有效 地消除从船模、结构物、对面池壁上反射回来的波浪，从而避免产生二次反 哈尔滨i ：秤人学硕十学何论文 射。这种即能造波又能消波的造波机就叫做主动吸收式造波机或主动1 1 及波造 波机啪。主动波浪吸收系统能够使入射波总是保持在一个较为理想的状态。 哈尔滨工程大学新建一长宽高= 5 0 x 3 0 x1 0 米的海洋工程实验水池， 该实验水池拟采用具有主动吸收功能的摇板式造波机。配合该项工程，本论 文对主动吸波式造波机进行可行性研究。 1 2 国内外研究综述 海洋波浪非常复杂，人们对它的认识和研究过程是由单向规则波一斜向 规则波一单向不规则波一多向不规则波发展的。造波机作为室内波浪模拟最 主要的实验设备其功能同样也经历不断发展、完善的过程；对于物理实验中 的出现的二次反射波问题，人们对其开展了大量研究工作，取得了大量理论 和实验成果，从而推动了主动波浪吸收系统应用在造波机中的快速发展。 第一个波浪水槽建造于1 9 世纪初，e r n s t 和w i l h e l mw e b b e r 在一个1 英 寸宽的水槽内通过注满流体的管体泻流产生波浪的方式对波浪的基本作用原 理进行研究工作并于1 8 2 5 年发表在其论文中。1 9 世纪中叶，英国的r u s s e l l 通过闸门泄流的方式研究了孤立波在水槽中前进的过程。1 9 3 2 年，海滩侵蚀 管委会( t h eb e a c he r o s i o nb o a r d 美国陆军工程兵团海岸工程研究中心前身) 建 造了世界上第一台长宽高= 2 4 1 2 1 5 英尺的规则波波浪水槽。2 0 世纪 5 0 年代初，法国s o g r e a h 试验所研制出分段式造波机，把多段造波机并列成 行，用于制造斜向规则波。造波时，各段造波板成蛇行运动，故又叫做“蛇 行造波机或多方向造波机”，推动了实验室造波技术的发展【2 1 1 3 1 。建于1 9 5 6 年 的荷兰瓦格宁根水池，是世界上最早的一座耐波性水池，该水池长1 0 0 米， 宽2 4 5 米，深2 5 米。采用摇板式多方向造波机，摇板高1 4 米，宽0 6 米摇 动铰链位于水下1 1 5 米，共有1 5 8 块摇板，摇板每分钟摆3 0 - - 一6 0 次，产生 的波长为1 5 - - - 6 米。美国泰勒水池建于1 9 5 8 年，水池为矩形，主尺度为1 1 0 7 3 6 米。造波机采用空气式造波机，其功率指数在最大负荷时为2 5 0 0 马 力，造波范围波长为o 9 2 1 2 2 米，波高为0 0 1 0 0 6 米，可对长峰不规则 2 哈尔滨【：程人学硕十学位论文 波及短峰波进行模拟。英国哈斯拉水池，建于1 9 5 7 年，1 9 6 2 年芷式投产， 安装有冲箱式造波机，可造长峰波规则波和不规则波。美围斯帝文森水池， 装有冲箱式造波机，可造长峰规则波和不规则波。同本三鹰露天水池，装有 摇板式造波机，可造波长为o7 米，最大波高0 4 米的波浪【4 【s 】【6 】【”。 我国从5 0 年代开始造波水池方面的研究工作，最初是从规则波( 正弦波) 开始研究。5 0 年代初，中国第一台规则波造波机研制成功。七十年代，我国 造波系统逐渐采用模拟信号装置来控制。八十年代初期，我国第一台不规则 波造波机安装在南京水利科学研究院水池。9 0 年代以后，逐渐开始采用计算 机控制进行造波【1 i 。 试验技术的发展总是与理论发展同步的，早在1 9 2 9 年，h a v e l o c k 对造 波机的水动力学原理作了理论分析，这一成果为后来的所有研究者所使用。 1 9 5 1 1 9 5 4 年，法国d a u p h i n o i s 水力学实验室b l e s e l 和s u q u c t 发表多篇文 章，根据微幅波理论建立造波板运动行程与波高之间的关系( 波高摇幅比) ， 被认为是关于造波机原理最详细最完整的论述。1 9 5 7 年，日本鹤田千里阐述 了造波机的设计理论，1 9 5 9 年，u r s e l l 在美国麻省理工学院制造了推板式造 波机，与上述理论做了实验对比；1 9 7 1 年，g i l b e r t 给出了表示为波浪周期函 数的波高摇幅比，1 9 7 6 年，美国航水杂志发表两篇文章，对摇板式和冲箱式 造波机应用上述理论做了数值计算；在国内，杨森华对造波理论研究做了大 量的工作m 。 ! 蠢叠函p ，一 譬器 图11 被动消波设施 哈尔滨t 干旱- 人7 ：硕十学何论文 幽内外科研机构很早就对水池消波技术进行了研究，目前所采用的吸收 波浪的方法有两种：被动消波和主动吸收。在物理水池中，被动消波装置可 大致分为固定装置和可拆出装置。固定装置主要建在造波机对面，一般为斜 形；可拆出装置可以分布在水池的周边，一般用塑料管、铁丝网、海绵等材 料做成，如图1 所示。 随着试验技术的发展，造波机向着具有主动波浪吸收功能的方向发展， 1 9 7 0 年，m i l g r a m 首先描述了他在主动波浪吸收理论和随后在水槽中应用的 先驱工作，并且定义了为设计主动式吸收系统的四个标准。这套主动式吸收 系统实验于一个3 3 5 m 长的水槽。在水槽的两端各有一个链接式造波机，其 中一个是用来造波的，另一个相当于是主动式吸收系统。在0 1 2 7 m 的水深中， 频率值从1 到4 h z 的波浪反射率只有2 n1 l ，对于大多数的实验，实测和 预测的反射率差别小于2 ；1 9 8 4 年，s a l t e r 使用造波板上的作用力作为水动 反馈的主动式吸收系统是第一套用于永久实验室设施的可操作吸收造波系 统；1 9 8 9 年，b u l l o c k 和m u r t o n 开发了为楔形造波机而设计的主动式吸收系 统。用于水动力反馈的浪高传感器是一个随着楔形块前后移动的波高测量仪， 但这样安装避免了楔形块前端的垂直运动。使用一个回馈模拟滤波器用于把 量测的波面数据转化成推板的修正运动。滤定器的传递函数适用于某一特殊 的频率，同时忽略了损耗成分。尽管如此，该主动式吸收系统比传统的造波 机有着显著的改进，并且表明了一个好的主动式吸收效果能用一个不是很完 美的滤波器的合理设计来实现；1 9 9 0 年，h i r a k u c h i 等在推板式造波机的基础 上，带有一个模拟电路来循环控制推板的速度。包括了损耗模式的详尽研究 考虑到了对系统工作时波板反射系数理论估算。以公式中包括波板加速度在 内的对损耗模式的校正，只需一些简单的回馈模拟滤波器就能提高造波机实 际和理论传递函数的匹配度；1 9 9 4 年，c h r i s t e n s e n 和f r i g a a r d 开发的主动式 吸收系统不同于上述的系统。他们使用的波高传感器是布置于距造波板一定 距离远。在理论上，一个波高测量仪可以为吸收系统提高有效的信息。但是 为了得到一套稳定的系统，实际中使用了两个测量仪。原则上，使用这两个 4 f i 合尔滨t 秤大7 产硕十学何论文 测量仪米进行实时反射分析继而增加一个位移信号来消除来自于造波机的波 浪。最终的信号只包含了要被吸收的波浪。推板的所需吸收信号的线性转变 可以通过使用有限脉冲响应的数字滤定( 例如，非循环) 来实现。对上述系统， 同惯用的传统造波机的结果相比，用这种方法产生的入射波谱有着许多的改 进；同年，s c h a f f e r 等在丹麦水工所的主动波浪吸收控制系统( d h i a w a c s ) 的开发中应用了包括损耗模式在内的基础理论且将波高测量仪布置在推板的 前面。这套系统使用个数字滤波器作为水动力反馈，以此来控制造波板的 运动【1 】【1 0 】【1 l 】【1 2 】【1 3 】【1 4 】。 与此同时，主动波浪吸收系统在多方向造波机中的应用也在不断地研究 和发展中。最简单的多方向造波机不包括波向的在线检测，而是预先假定一 定波向，我们定义这样的系统为准3 d 系统。准3 d 吸收系统比传统的多方向 造波机有了很大的进步，例如它的减幅作用经常足以阻止水池中共频振荡波 的发生。其吸收效果也相当好，甚至与预想的方向角误差很小。s a l t e r ( 1 9 8 0 ) ， y o s h i k a w a 和c h i n ( 1 9 8 9 ) ，h i r a k u c h i ( 1 9 9 2 ) 对准3 d 系统曾进行过具体介绍。 近些年，相对于准3 d 系统，些全3 d 主动式吸收系统也开发出来，而且能 辨别不同波向分量，从而提高了对斜向波的吸收能力。c h r i s t e n s e n ( 1 9 9 5 ) ，i t o 等( 1 9 9 5 ，1 9 9 6 ) ，k l o p m a n 等( 1 9 9 6 ) ，s c h a f f e r 和s k o u r u p ( 1 9 9 6 ) 都曾发表文章 对多方向吸收系统进行过介绍。由于全3 d 主动式多向吸收系统还处于初期， 从而没有建立一个共同的理论框架体系，目前还主要处在理论研究阶段，实 际的物理模拟实验还有待于更进一步研刭1 1 】【l2 1 。 1 3 本文主要工作 本文主要的研究工作是以吸收式造波原理为基础，通过数值仿真试验， 探讨了主动吸收式造波机的可行性。论文的主要工作有： 1 ) 造波机造波原理的推导 在势流理论和线形微幅波假设的基础上，详细的推导摇板式造波机的造 波理论，并给出推板式造波机的理论计算公式，通过理论上的计算可以得到 5 哈尔滨t 程大学硕十。伊论文 目标波浪的解析解；在普通造波机造波理论的基础上，推导主动吸收式造波 机在规则波和不规则波中的造波原理。 2 ) 二维数值波浪水池的建立及波浪模拟 在势流理论基础上，采用面元法，利用f o r t r a n 编程，建立二维线形 数值波浪水池，分别对摇板式和推板式造波机造波进行数值模拟；通过对不 同周期的波浪模拟，并以理论计算的解析解作为参考值以及计算边界积分方 程，验证数值波浪水池的适用性。 3 ) 全相位频谱分析理论的研究 主动吸收式造波机实现的关键是有一个有效的水动力反馈系统，本文首 次采用全相位频谱分析理论作为水动力反馈的理论基础，通过计算机构造信 号源，用全相位频谱分析理论对信号分析，并且与传统的频谱分析方法作比 较。 4 ) 吸收式造波机造波仿真试验研究 在上述工作的基础上，利用已分析得到的反射波波浪要素，通过主动吸 收式造波机的造波原理控制造波板的运动，吸收波浪的二次反射。对摇板式 和推板式造波机进行主动吸收式造波数值仿真试验，并分析流体粘性和斜坡 堤角度对波浪反射的影响。 5 ) 研究海浪的数值仿真及谱分析理论 物理水池能生成符合要求的规则波和不规则波，为了进一步研究吸收式 造波技术，就要对不规则波的生成和谱分析理论进行研究。本文以i t t c 单 参数谱为目标谱，对二维随机海浪进行了数值仿真，并对数值仿真结果谱分 析，与目标谱进行比较。 6 哈尔滨f ：群人学硕+ 学何论文 第2 章主动吸波式造波机造波原理 主动吸收式造波机是以线性的造波机造波理论为基础。如：丹麦水工所 的主动吸收造波机系统( d h i3 da w a c s ) 是在普通的造波机系统的基础上改 进而来。本章首先推导传统造波机造波原理，在此基础上推导主动吸收式造 波机的造波原理。 2 1传统造波机造波原理 2 1 1 造波机的形式 目前国内外实验水池很多，所采用的造波机形式也是多种多样，但归纳 起来有如下几种 1 5 】f 1 6 1 ： 1 ) 摇板式：通过机械驱动使摇板绕固定轴摆动，使池中水产生波动。通 过摇板的摆动幅度控制波高，波长和周期则由摆动频率来确定。 2 ) 活塞式：活塞式又称为推板式。通过连杆驱动设在水槽中一端的活塞 进行往复运动，使池中水产生波动。波高取决于活塞的冲程，波长则取决于 往复运动的频率。 3 ) 冲箱式：造波部件为断面呈特殊形状的箱体。通过该部件沿垂直水面 方向作往复运动达到造波的目的。 4 ) 转筒式：转筒式则是通过设置在水面的圆柱体绕偏心轴旋转使水产生 波动。 5 ) 气压式：气压式是利用气压的变化来产生水面波动。如负压提升法， 也可以是通过鼓风机产生的高压气体作为扰动源，通过改变气压的大小改变 波高，改变气量的大小改变波长。 目f i f 摇板式造波机和推板式造波机应用最为广泛，因为这两者具有结构 简单、控制方便、便于维护的特点。摇板式造波机一般应用于深水域造波， 7 哈尔滨t 稃大硕十学何论文 而推板式造波机一般运用于浅水域造波。 2 1 2 传统造波机造波理论 2 1 2 1 摇板式造波机的系统组成 摇板式造波机系统主要包括：控制系统、驱动装置、造波装置、反馈系 统几个部分，如图2 1 所示，控制系统主要功能是实现与用户的交互，接收 用户输入的造波信息，根据用户的要求产生合适的电机驱动脉冲，实时监测 电机以及系统的状态，并反馈给用户，把数字造波信号转变成电信号并传递 给驱动装置；驱动装置的主要功能是电动机带动造波装置的运动，电机的转 动频率与摇板的转动频率是一致的，和产生的波浪频率也是一致的，可以通 过控制电机的转速来控制波浪的波高，控制电机的周期来控制波浪的周期， 一般造波机的驱动方式有三种：电机驱动、气压驱动、液压驱动；造波装置 主要功能是产生波浪；反馈系统主要功能是通过浪高仪测量实际波浪要素， 反馈回控制系统与理论波浪相比较，达到监控波浪的目的，在主动吸收式造 波机中，反馈系统尤其重要，浪高仪采集到离散波浪信号，通过f o r t r a n 编程 计算入、反射波分离，得到反射波信号，把得到的反射波信号反馈回造波控 制程序，控制造波板的运动以达到吸波的目的，而入、反射分离是主动吸收 式造波机的关键技术之一【1 2 】【l5 1 。 图2 1 摇板式造波机系统结构图 8 哈尔滨t 程大学硕十伊论文 2 1 2 2 摇板摆幅和波高的关系 本文主要是从流体力学专业的角度来研究造波机的问题，所以造波机工 作的机械问题不做表述，着重从专业出发。首先要解决的是摇板摆幅和波高 的关系。摇板造波理论是建立在微幅波理论的基础上【l7 1 ，是微幅波理论在实 际应用方面的一个应用。首先假定水是理想流体，不可压缩，波浪是无旋的， 可借助势函数p ( x ，) ，f ) 来分析，摇板布置如图2 2 所示，设水深为h ；造波板 在水面下垂直深度为，；水面处摇幅为e ；造波板以摇幅e 来运动产生波浪； 设波浪高度为a ；波长为允，周期为t 。波浪转播方向设为正，x 轴与水池底 部平面重合，y 轴与造波板处的垂直位置重合，且方向向上【1 8 】。 图2 2 摇板造波参数示意图 摇板上不同水深处的摇板的摆幅e ： p c y ，= 季。y 一乃+ ， 摇板的水平位移： x = e ( y ) s i n 刎 9 0 y ( j l 一，) ( 厅一，) y ( 2 1 ) ( 2 2 ) 哈尔滨r 张大学硕+ 学何论文 摇板的水平速度： u ：冬：优( y ) c o s 埘 = = 翻鬯lyj c 伽 d t 摇板的水平加速度： 式中，波浪的角频率： ：jdv：-(02e(a ey ) s i n 研 = = y l s l 研 d t 一 国：2 万：塾 。 r t 为波浪周期，f 为波浪的频率。 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) 基于线性微幅波的假定，即a a ，设速度势为够，造波板处波浪的水 平速度为u ，垂直速度为v ，于是 娑= ：( y ) e o s c o t u 0 3 eo s a go = 2iy 、， o x a 汐 上一= v 砂 速度势满足拉普拉斯方程 粤+ 宴：o 舐2叙2 边界条件有：水底处垂直速度为零 吲。一。 水面边界条件的关系式 窘+ g 考= 。 满足上述方程的速度势的一般解为： l o ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 哈尔浜i 槲大学硕十7 7 ：何论文 缈2c o 詈c h ( k o y ) s i n ( k o x ) c 。s ( 耐) 一喜c 。万g oc o s ( k y ) e - i 【n xc o s ( 耐) ( 2 一l1 ) 对进行波又可写成： 缈2c o 詈c h ( k o y ) s i n ( k o x - 耐) 一喜g 罢c o s ( k y ) e - i ：n xc oso ( 纠) ( 2 - 1 2 ) 月= l n n 对缈求导，并代入( 2 1 0 ) 式可解得： 一c o c o c h ( k o y ) s i n ( k o x - 酬f c 0 2 一g t h ( k o y ) ) + 兰c n ( o c o s ( k n y ) ( 一g t h ( k o y ) ) ：o 庀o：i庀o ( 2 - 1 3 ) 当y = h 时，该式要成立，七。和k 。由下式解出： 国2 - k o g t h ( k o j i i ) = 0 ( 2 1 4 ) 国2 + k n g t a n ( k 。h ) = 0 ( 2 1 5 ) 对于( 2 1 5 ) 式，某个固定的，有无穷多个k 与之对应，记为七。，咒= 1 , 2 ， k 。落在区间o - z 1 2 ) l h n r c h 内。( 2 1 2 ) 式中的c o 及e 有边界条件解出， 将该式代入( 2 6 ) ，两边乘以c h ( k o y ) 并积分，得： c oc o s ( k o x ) j l 幽2 ( k o y ) d y + 主e e - k , xj ic h ( k o y ) c 。s ( k y ) d y = j ip ( y ) c h ( k 。y ) d y ( 2 一1 6 ) 由( 2 1 4 ) 的关系可证明上式中的f 幽( 尼。y ) c o s ( k 。y ) 咖等于零，并根据 微幅波理论，当质点的水平运动振幅很小时，c o s ( k 。x ) 将趋向于1 ，于是可解 得： c o =f j e ( y ) c h ( k o y ) d y ：丛塑竺：! ! 塑空 p ( 尼。y ) 咖面1 ( 七。办+ 蚍删 ( 2 一1 7 ) 瑙。兽筹畿 哈尔滨丁秤大学硕十伊论文 将( 2 1 ) 代入，并积分可得： c ： (218)o 2 ek o l s h ( k o h ) - c h ( k o h ) + c h ( k o h - k 0 1 ) = 一一 i ：一ln ， 七o ，k o h + s h ( k o h ) c h ( k o h ) 同理，将缈代入( 2 6 ) ，两边乘以c o s ( k 。y ) ，积分得到： c o c 。s ( z ) r 砌2 ( 七。y ) c 。s ( 尼。y ) 咖+ 喜g p 以一r 幽( 后。y ) c 。s ( 忌。y ) 砂( 2 一1 9 ) = f ip ( y ) c 。s ( 七。y ) d y 当朋力时，可解得r c h ( k 。y ) c 。s ( 忌。y ) d y = 0 ，当聊= 以时，因 上式变为： 帕 j ：c h ( k o y ) c o s ( k y ) d y 20 喜g p 吨。i ，c 。s 2 ( 七。y ) 砂= r p ( y ) c 。s ( k n y ) 咖( 2 - 2 0 ) 当x 专0 时，p 一铷j1 ，故有。 ( 2 - 2 1 ) c。：一2ek1sin(kh)+cos(kkh)-cos(kh-k1) ( 2 2 2 ) ” 七。，k n h + s i n ( k 。h ) c o s ( k 。矗) 由( 2 - 7 ) 式可计算水质点垂直方向的平均位移： y =障斫： j 8 t ( c 0 僦 ( 后。y ) s i n ( k o x - at ) 一xc n o , c 。s ( 后。y ) e - k xc o s ( 倒) 出 n = l = c o s h ( k o y ) c o s ( k 。x 一耐) + es i n ( k 。y ) e 吨，s i n ( c o t ) 月= l 1 2 ( 2 2 3 ) ，0 一y丝渺篱 = g 能可分积并 入代 一 2将 哈尔滨丁秤大学硕十学付论文 ( 2 2 3 ) 中，等式右边第一部分为行进波，第二部分为造波板产生的驻波。 于是可知造波板前的半波高为 a = c o s h ( k o h ) ( 2 2 4 ) 将式( 2 1 8 ) 代入得： j 2 ek o l s h ( k o 而) 一c h ( k o h ) + c h ( k o ( 办- t ) ) 1 = ：一一 k o ，k o h - i - s h ( k o h ) c h ( k o 而) 无因次化，令 s h ( k o h ) ( 2 2 5 ) 兰：m：型坠竺kjsh(koh)-ch(koh)+ch(ko(h-t) e k o ，k o h - i - s h ( k o h ) c h ( k o h ) 则 ( 2 - 2 6 ) a = m e( 2 2 7 ) 这就是摇板摆幅与波高的关系。 通过上述一样理论方法可以推导出推板式造波机造波板振幅与波高的关 系： i a = 2 s i n h 2k 啪“n l l 2 啪) ( 2 _ 2 8 ) 因为式( 2 1 4 ) 和( 2 5 ) 直接计算非常复杂，可以由图解法得到岛与 波浪周期的关系，从而确定硒的值，已知摇板高，= 1 7 m ，水深h = 1 0 米，波 浪周期范围o 5 s 4 s 。如下图： 图2 3i o 与波浪周期的关系 哈尔滨t 稃大学硕十学付论文 由不同的周期町以得到一系夕i jk 。的值，代入( 2 2 6 ) 中可以得到摇板摆 幅与波高的关系图。 至 _ 且 1 口匝 e 躺 | 叵 蹩 2 0 、 。 。 02468 周期( t ) 图2 4 不同周期时的波高摆幅比值 2 2 主动吸波式造波原理 主动吸波式造波技术在欧美各国得到越来越多的研究，但是把主动吸波 式造波技术应用到水池中还很少。如果一台造波机既能产生波浪又具有主动 吸收波浪的功能，就把它称为主动吸收式造波机或无反射造波机。主动吸收 是相对于传统吸收波浪而言，而主动吸收式造波机也是相对于传统造波机而 一 日o 2 2 1基本原理 在推导主动吸波式造波机的原理之前，首先介绍三个概念，第一个是， 从前面内容知道摇板摆动一定的摆幅就会产生一个对应波高的波浪，摇板运 动是波浪产生的原因，摇板的运动和波浪是因果关系；而对于主动吸收式造 波机而言，摇板的运动要根据水动力反馈回的反射波的情况做出相应的运动， 以达到吸收波浪的目的，波浪成为摇板运动的原因。主动吸波式造波机要根 据水动力反馈回的反射波的波浪要素控制摇板运动，如何获得反射波的波浪 要素是主动吸波式造波机的关键技术之一。第二个是，主动波浪吸收都是基 1 4 哈尔滨i ：科大学硕十导? 何论文 于线形理论，波浪都是可以叠加的，摇板摆动产生一个波浪，假如把这个波 浪看成是反射波，那么只要摇板摆动产生一个与反射波振幅一样，相位相反 的波浪就能抵消反射波的能量。第三个概念是，主动波浪吸收假设水池中的 造波机是透明边界，而且处于一个远场的环境中，当造波时相当于波浪是从 无穷远处传播来，并穿过造波板向外传播，对于反射波也可以这样理解【1 0 1 。 产生一个波浪与吸收一个波浪有显著的不同，假设水槽中推板两边都是 无穷远，当推板左右运动时，在推板左右两面将产生振幅相等、相位相反、 向相反方向传播的发射波，如图2 5 ( a ) 所示。对于主动波浪吸收，一个波浪 从左穿过推板向右传播，如图2 5 ( b ) 所示，当推板造波时，由图2 5 ( a ) 可知， 在推板的右侧将产生一个与左侧波浪振幅相等、相位相反、向相反方向传播 的波浪，所以要吸收图2 5 ( b ) 中推板右侧的波浪，只要在推板左侧造出推板 右侧的波浪就可以了。从推板式造波机可以推导出对于摇板式造波机也有同 样的原理。 ( a )( b ) 图2 5( a ) 推板产生波浪( b ) 主动波浪吸收 在实际的应用中，这些理论根据采集实测信号的浪高仪位置不同，可以 分为以下两个类别：浪高仪置于造波板上和浪高仪置于板前。 1 ) 造波板上面设置浪高仪的方法： h i r o m a r uh i r a k u c h i ( 1 9 9 0 ) 和c h i ac h u e nk a o 和s h i hs h e n gs h u o ( 1 9 9 4 ) 采用 在造波板上安置浪高仪测量波浪高度的方法分别建立了吸收式造波理论 【1 2 】【1 9 】。 对h i r o m a r uh i r a k u c h i 的理论要点分析 哈尔滨f ：群人硕十学何论文 a 规则波主动吸收式造波理论： 规则波吸收式理论是建立在推板式造波机理论的基础之上的。假设在造 波板位移上附加一个位移后，水池中的二次反射波被完全吸收，并以此造波 板的运动为边界条件求出完全吸收反射的时候的速度势函数；最后由势函数 求出水池中波面高度的解析解。 实际应用这个理论时，在造波板上安装一个浪高仪，把浪高仪采集到的 波浪高度序列数据实时反馈到计算机中，计算出的控制信号为反射波的修正 信号，与原有的控制信号合成后，再控制造波板的运动。由此，不仅可以达 到造规则波的目的还可以同时吸收反射波。 b 不规则波主动吸收式造波理论： 不规则波理论是基于规则波理论的基础上演变而成的。我们在模拟不规 则波时，实际上是把不规则波分解成无限个规则波。因此这样就会有多个待 定的参数，处理不规则波的关键在于如何确定这些参数。解决这个问题的思 路是把这些未知的参数做一些简化处理，用近似的常数来代替未知的参量， 解决不规则波吸收式造波理论的实际应用问题。 对c h i ac h u e nk a o 和s h i hs h e n gs h u o 的理论要点分析 在规则波理论上，两者所提出的观点基本相同，即：假定在造波板位移上 附加一个位移后，水池中的二次反射被完全吸收。在这种假定下，在造波板 上，由这个附加的位移产生的波高和二次反射波浪的水位的代数和正好为零。 以此为条件可以确定造波板的运动函数。在不规则波理论上，都是利用常数 代替不确定的参数。 2 ) 造波板前设置浪高仪的方法 p e t e rf r i g a a r d 和m o r t e nc h r i s t e n s e n t ( 1 9 9 5 ) 提出的主动吸收式造波理论其 方法是在造波机的前方，沿波浪传播的方向设置两个浪高仪。由两个浪高仪 采集的波浪高度的数据序列，利用滤波或其它某些数学方法把目标波和反射 波分离开。再把反射波的数据用来控制造波板做及时的修正运动，从而达到 吸收反射波的目的【2 0 1 。 1 6 哈尔滨t 稗大学硕+ 学伊论文 这个方法的关键之处在于，如何从采集剑的波浪信号中把目标波信号和 反射波的信号分离开来。这就需要能够设计出一个能够有效地分离数据的滤 波器。再一次造波时，把提取到的修正信号加入到造波信号中，就可以有效 的解决多次反射的问题。 2 2 2 规则波主动吸收造波原理 对于以上所说的规则波主动吸收式造波理论是在推板式造波机基本理论 的基础上展开的。本文推导了摇板式造波机的主动吸收理论，为了吸收二次 反射波浪，在原来造波机的位移x