基于數值波浪水槽的港航專業實驗教學改革與實踐

沈 超,劉曙光,付小莉,鐘桂輝,董博靈

(同濟大學 水利工程系,上海 200092)

波浪是作用在港口、海洋和船舶等的主要荷載[1]。對于港口、航道及海岸工程專業的學生來說,對波浪運動特性[2]的學習是十分基礎和必要的。目前對波浪研究的主要方法有理論分析法、物理模型試驗法、現場觀測法和數值計算法。在物理模型試驗中,波浪水槽成為了研究波浪運動的重要設備[3]。但是由于波浪水槽造價貴,且物理模型試驗還會受到比尺的限制[4]。隨著水動力學和計算機仿真技術的發展,開發與應用數值波浪水槽已經成為國內外重點研究的方向之一[5]。相對于物理模型而言,數值模擬具有重復性好、條件易于控制、更加自由、靈活等優點,且打破了時間和空間的壁壘,使實驗更加高效快捷,也大大節約了實驗成本,是未來實驗發展的重要趨勢[6]。

同濟大學水利港口綜合實驗室擁有一臺波浪水槽,每年承擔95%以上的專業教學和開放設計實驗任務,實驗需求量大,設備使用效率高。建設數值水槽有利于緩解實驗壓力,深化教學內涵,對水利實驗教學的升級和創新卓越人才的培養具有深遠的意義。

1 數值波浪水槽的建設

1.1 數值波浪水槽建設的總體思路

數值波浪水槽的建設旨在通過專業教學理念與先進的計算技術結合,提升實驗教學水平,促進實驗教學的改革優化。因此,數值水槽的建設應以輔助實驗教學為目的,以學生為中心[7],為學生提供多元的實驗教學平臺,提高實驗效率和教學效果。我校水利港口綜合實驗室目前開設11門教學實驗,綜合來看,對波浪的研究是各實驗共同的基礎和要點所在,而物理模擬實驗由于時間和空間的局限,學生無法充分對波浪運動特性進行探究,數值波浪水槽將彌補物理模擬實驗的缺點,為學生提供更加多元的實驗視角和更全面的數據資料。

1.2 數值波浪水槽的建設

采用丹麥水環境研究所開發的MIKE21軟件中[8-9]BW模型進行建模計算。BW模型主要用于近岸波浪傳播變形的模擬計算,對波浪淺水變形、建筑物的發射、繞射及海底地形的折射等計算效果良好。該模型建立在二維求解的Boussinesq類方程的基礎上,并在此基礎上將Boussinesq方程[10]進行改進。

建設的數值波浪水槽的尺寸為50 m×0.8 m(長×寬)與實際水槽相同,岸坡高度為1 m。波浪入射方向設定為上側,為減小反射波的影響,并使水槽內的波能保持穩定,分別在波浪入射前部和水槽末端水域設置了海綿層。整個水槽采用結構網格的網格剖分,并針對不同的波況建立了多套網格體系。水槽網格圖見圖1。

圖2為物理水槽功能與數值水槽造波能力包絡圖，可見數值波浪水槽同樣可進行規則波和不規則波的模擬，數值水槽完全可達到物理水槽的造波能力。通過對規則波和不規則波的模擬,得到的波面高度場(見圖3)能直觀地反映波浪的運動分布和浪高大小。在模擬基本波浪運動的基礎上,針對各個教學實驗的不同模型,進一步模擬了斜墻式建筑物、防波堤和二丁壩等模型對波浪的影響(分別見圖4、圖5和圖6),得出波面高度的變化數據及分布云圖；而在物理水槽中只能采取點式測量,很難得到如此全面的浪高變化數據,可見,數值水槽的建設對港航專業教學實驗室是十分必要且有重要意義的。

圖1 水槽網格圖

圖2 物理水槽與數值水槽造波能力包絡圖

2 數值波浪水槽的應用成效

數值波浪水槽投入教學應用以來成效顯著,與物理水槽形成了優勢互補,在教學模式、教學方法和教學內涵等方面均發揮了重要的作用。

2.1 數值波浪水槽模擬教學實驗不受時間和空間限制,創新教學模式

數值波浪水槽系統能夠對教學實驗中的各種形態波浪進行模擬,其功能與物理水槽相同,方便學生課前預習,提高課堂實驗效率,也可在課后對實驗現象進一步的了解和學習,加深實驗理解,不受時間和空間的限制。同時,數值模擬的教學方式,也彌補了因受設備數量限制、導致很多學生無法親自操作實驗的不足,生動自主的操控界面也有利于調動學生自主學習熱情。

2.2 數值水槽實驗與物理水槽實驗做對比校正,提升實驗教學內涵

目前在物理波浪模擬實驗中,由于受到水槽邊壁、搭接縫、模型、儀器等因素的干擾,致使實驗中獲得的現象往往與理論現象存在一定偏差。數值波浪水槽具有無觸點流場測量、減小比尺效應、消除傳感器尺寸及模型變形等因素對流場影響等優點[11-12]。在數值水槽模擬實驗和物理水槽模擬實驗的對比驗證過程中,不僅有助于學生對實驗全面的理解和掌握,還可以充分鍛煉學生分析問題和解決問題的能力。數值水槽模擬實驗和物理水槽模擬實驗的互補,增加了實驗研究的可靠度,更提升了實驗教學內涵。

圖3 規則波和不規則波的波面高度場

圖4 斜墻式模型波面高度場圖5 防波堤波面高度場圖6 二丁壩模型波面高度場

2.3 引導式的實驗教學體系,激發學生的創新能力

以往的大學生創新實驗中,常出現實驗構想與實驗現象相去甚遠的情況,這種情況多是由于學生不了解實驗環境、沒有實踐經驗而產生。數值波浪水槽可讓學生參與完整的實驗過程,引發學生對實驗的自主思考,進而催化其創新思維的形成。此外,數值波浪水槽也為有創新想法的學生提供了實驗平臺,學生可隨時驗證構想的可行性。

3 結語

數值模擬實驗與物理模型實驗相結合的教學方式是未來港航專業實驗教學發展的必然趨勢[13],同濟水利港口綜合實驗室運用數值水槽與物理水槽的教學互補,創新了教學模式，提升了實驗教學內涵，優化了實驗教學體系。多元的課堂和課后實驗環境,生動的數值模擬實驗和物理模型實驗對比互動,以及開放模擬實驗平臺,充分調動了學生自主學習的熱情,鍛煉了學

生探索和解決問題,推動了創新思維的落地生根。數值波浪水槽的應用雖已得到良好反饋并起到了積極的教學效果,但仍需不斷對模型進行完善,以適應更多實驗要求,得到更精準的實驗結果。

References)

[1] 吳宋人.海岸動力學[M].北京:人民交通出版社,2000.

[2] 沈超,鐘桂輝,劉曙光.波浪運動特性實驗教學改革的探索與實踐[J].實驗室研究與探索,2014,33(4):164-167.

[3] 辛穎.FLUENT UDF方法在數值波浪水槽中的應用研究[ D].大連:大連理工大學,2013.

[4] 郭曉宇.數值波浪水槽及其應用研究[D].上海:上海交通大學,2011.

[5] 朱峰,朱衛華,顏君來,等.波浪水槽的數值建模與計算分析[J].科學技術與工程,2012(21):5374-5378.

[6] 李暉,何宏舟,楊紹輝.數值波浪水槽的造波及消波方法[J].集美大學學報,2015,20(6):457-461.

[7] 龔淑玲,黃馳,侯安新,等.以學生為中心,激發學習興趣,提高化學實驗教學效果[J].實驗技術與管理，2012:29(8):1-3.

[8] 許婷.丹麥MIKE21模型概述及應用實例[J].水利科技與經濟,2010,16(8):867-869.

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[12] Baudic S F,Williams A N,Kareem A,et al.A two-dimensional numerical wave flume.Part 1：Nonlincar wave generation,propagation,and absorption[J].Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering,2001,123(2):70-75.

[13] 陳誠,賈寧一,蔡守允.模型試驗測量技術的研究應用現狀及發展趨勢[J].水利水運工程學報,2011,12(4):154-158.