水池造波技術(shù)及發(fā)展概況

馬玉麟 孫永明 王帥軍

摘要：本文闡述了實(shí)驗(yàn)水池中造波機(jī)及其理論的研究。結(jié)合造波技術(shù)的發(fā)展趨勢，概述了國內(nèi)外現(xiàn)有的波浪模擬技術(shù)。

波浪是海洋中非常重要的自然現(xiàn)象，不僅是海岸與海洋工程建筑物以及船舶收到的主要載荷，也是引起海岸泥沙運(yùn)動的主要動力之一。因此，海洋波浪模擬作為一項(xiàng)重要技術(shù)，對此的研究在船舶、港口、海洋工程等領(lǐng)域占有重要的位置，也有著極大的現(xiàn)實(shí)意義。隨著海洋工程的發(fā)展，新的海洋環(huán)境對造波技術(shù)及波浪模擬提出了更高的要求。

1 造波機(jī)及波浪模擬技術(shù)

眾所周知，海浪是一種三維的隨機(jī)過程，其周期、波高均隨即變化。在實(shí)驗(yàn)室中，我們通常使用規(guī)則波、二維不規(guī)則波、二維方向波及三維不規(guī)則波來對海浪進(jìn)行描述。通俗的說，只要對水面進(jìn)行擾動, 水面就會有波浪產(chǎn)生。造波機(jī)即為給水以擾動的機(jī)械用于模擬波浪。

1.1 造波機(jī)的發(fā)展

我國在造波方面的研究工作從二十世紀(jì)五十年代起步，最初使用的造波裝置主要是簡單的電氣裝置。到七十年代中期，開始逐漸采用模擬信號裝置來控制。隨著科技的發(fā)展，如今已完全采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行造波控制。目前，主要的造波機(jī)類型可分為：搖板式，推板式，沖箱式以及空氣式造波機(jī)。其中，搖板式和推板式造波機(jī)應(yīng)用最廣泛，因?yàn)檫@兩者具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、便于維護(hù)的特點(diǎn)。搖板式一般應(yīng)用于深水域造波，而推板式一般運(yùn)用于淺水域造波。其工作原理及示意圖如下表1 。擁有性能良好的造波系統(tǒng)是提高波浪模擬技術(shù)的重要一環(huán)。

1.2 實(shí)驗(yàn)室波浪模擬技術(shù)

天然波浪是很復(fù)雜的，人們對它的認(rèn)識和研究過程是由簡到繁，由淺入深的，即由單向規(guī)則波→斜向規(guī)則波→單向不規(guī)則波→多向不規(guī)則波。實(shí)驗(yàn)室中，把波浪分為規(guī)則波及不規(guī)則波兩種。規(guī)則波模擬：在一般情況下，將實(shí)驗(yàn)中使用的規(guī)則波定義為二元微幅進(jìn)行波。即正弦波。對于線性造波系統(tǒng)，只要輸入一正弦的控制信號電壓，就可以造出相應(yīng)的正弦波來。將試驗(yàn)所需規(guī)則波的波高除以造波機(jī)的傳遞函數(shù)，就可以得出信號電壓的幅值，而所需的周期就是信號電壓變化的周期。不規(guī)則波模擬：在自然界中，實(shí)際的海浪屬于不規(guī)則波。其特點(diǎn)是波浪的波高和周期大小的隨機(jī)變化的，因此無法簡單地給出確定的特性值。將海浪看成一個平穩(wěn)的隨機(jī)過程，由多個不同周期和不同隨機(jī)初位相的余弦波疊加而成。實(shí)驗(yàn)中，通常通過波浪的特征量，如波高、周期、波速等，應(yīng)用的波浪譜來描述。

2 無反射造波

當(dāng)波浪遇到障礙物時，會發(fā)生部分或全部的反射。在自然條件下，海洋結(jié)構(gòu)物所處的海域環(huán)境是一個開放的邊界，反射波隨后傳向無邊的外部海域，在這個過程中，反射波不斷地衰減直到消失。而在實(shí)驗(yàn)室波浪模擬試驗(yàn)中，不可能建造無限大的水池或水槽。因此一段時間內(nèi)一部分波浪會傳播到水池的盡頭產(chǎn)生反射波，反射波以與入射波相反的方向傳播，遇到造波板上，又形成了二次反射波。在封閉的環(huán)境中，反射波與入射波反復(fù)相遇，多次來回反射產(chǎn)生干擾，很大程度上影響了波浪的質(zhì)量，也影響了整個實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確度和精度。為了解決這個問題，研究人員想到加長實(shí)驗(yàn)水池的長度，或是減短造波的時間，但這都不能有效解決問題。在這種情況下，無反射造波技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生，造波機(jī)也向著吸收式造波的方向發(fā)展。目前，國內(nèi)外對消波技術(shù)的研究也不斷深入，實(shí)驗(yàn)室有兩種常用的消波方式稱為主動消波和被動消波。被動消波：在水池中設(shè)置消波器及填充材料，對造波板與池壁間的反射波進(jìn)行削減，主要的消波器形式有斜坡式和直立式。被動式消波系統(tǒng)可以在一定程度上吸收一次反射波，不能消除二次反射波。而主動式消波系統(tǒng)能夠使生成的波總是保持在一個較為理想的狀態(tài)。所謂主動消波是通過在造波板上或板前安裝波高儀，測量反射部分，然后加給發(fā)生器一種與原來運(yùn)動反向的信號，從而獲得吸收反射波的效果。

3 結(jié)論與展望

綜上所述，人們現(xiàn)階段對造波機(jī)波浪模擬技術(shù)的研究達(dá)到相當(dāng)深度。其中造波系統(tǒng)和消波技術(shù)是對模擬波浪研究中重要的兩個環(huán)節(jié)。相信學(xué)者對現(xiàn)有理論和實(shí)驗(yàn)成果的進(jìn)一步探究，必定能推動海洋波浪模擬技術(shù)的快速發(fā)展，模擬出更接近實(shí)際海況的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，便于操作計(jì)算，并作為研究基礎(chǔ)，推動中國海洋工程的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉月琴,尹尚生.實(shí)驗(yàn)室造波設(shè)備及波浪模擬技術(shù)的探討[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2000,(28):6.

[2] 顧挺鋒.海洋工程水池波浪生成的數(shù)值模擬[C].哈爾冰工程大學(xué),2009.