波流水槽在教學實驗中的應用

吳宗鐸 嚴謹 吳光林 溫錦文

[摘 要]波流水槽可以在實驗教學中得到很好的應用。在很多專業，波流水槽起到了十分關鍵的作用，尤其是船舶與海洋工程、港口航道與近岸工程兩個專業。通過造波和造流系統，多門課程可以安排實驗環節，例如，海岸動力學、工程水文學、水工建筑物、船舶原理等。在實驗過程中，可以觀察到清晰的現象，并得到十分有意義的數據。

[關鍵詞]波流水槽;教學實驗;造波;流速

[基金項目]2018年1月—2020年12月國家自然科學基金項目“Mie-Gruneisen多介質混合物模型的研究及其在水下爆炸中的應用”（11702066）

[作者簡介]吳宗鐸（1984—），男，江西南昌人，博士，廣東海洋大學海洋工程學院講師，主要從事水動力計算研究。

[中圖分類號] TV139.2+5[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）32-0383-03[收稿日期] 2020-01-31

一、概述

船舶與海洋工程是與海洋資源開發利用、海上運輸船舶、捍衛海防密切相關的學科。21世紀是海洋大開發的時代，國家已進一步要求加快海洋科技創新步伐，強化船舶及海洋裝備科技創新動力，提升海洋資源開發利用水平。

要了解海洋，首先需要了解波浪。作為海洋中最為常見的一種現象，研究波浪，不管是對航海運輸、港口建設、還是對海洋結構物設計，都有著極大的幫助。物理水池試驗與數值波浪水池計算的結合，已成為當前船舶與海洋工程結構物研究過程中主流的技術方法[1]（P1-15）。目前，國外技術比較先進的大型水池主要有：挪威MARINTEK海洋深水試驗池;尼德蘭MARIN的海洋工程水池;日本國家海事研究所的深水海洋工程水池等。國內的大型造波水池主要有：中國船舶科學研究中心適航性與海洋工程水池;上海交通大學海洋深水試驗池等。

然而大型的水池，不僅造價昂貴而且占地面積大，如尼德蘭MARIN的海洋工程水池，長45m，寬36m，水深10.2m，建造和維護成本相當高。相比大型的水池，數值實驗水槽建造成本低，占地面積小，且能滿足基礎的教學和科研用途，對科研經費或實驗場地有限的院校非常適合。建造一個數值實驗水槽的成本僅需幾十萬，遠遠低于大型的實驗水池。

二、波流水槽簡介

試驗實驗室中包括如下裝置：

1.槽配電控制柜：用于控制造波機電機電源分配，并監測電源情況。

2.波機控制柜：控制造波機啟動和緊急制動。

3.移步平臺：位于玻璃水槽一側的平臺，方便觀察水槽內情況。

4.玻璃水槽：由厚鋼化玻璃構成，四周為鋼質骨架。

5.造波機：作為波流水槽系統的最重要組成部分，鋼質機械構件，負責推動水槽內水體運動，從而造波。

6.流量控制柜：控制并顯示當前玻璃水槽內水體深度、流速等情況。

7.造波機控制臺：作為波流水槽系統的大腦，通過計算機內安裝的造波系統控制造波機。

其中水槽為整套實驗裝置的主體結構。實驗所用的水槽為玻璃結構（見圖1），長度大約30—50米。一端裝有造波板設備，板的高和寬與水槽貼合。另一端則裝置了進水管。

在水槽兩側安裝有由多孔介質構成的消能設備，用于消除反射波，盡可能地減少反射波對實驗數據的影響。當波浪波高越高、波長越長，產生的反射波對實驗數據的影響就會越嚴重。由多孔介質構成的消能設備能夠有效地消除反射波。

國內外主流的造波機，以推板式和搖板式居多[2]。圖2給出了兩種造波板的具體形式。搖板式造波機通過造波板被約束在軸的下端，繞軸一定角度做循環運動，對水體運動狀態產生影響。波長取決于繞軸運動的頻率，波高取決于繞軸運動的搖幅。推板式造波機則通過造波板沿直線導軌進行周期性往返運動，推動水體，對水體運動狀態產生影響。造波板的推程及速度決定波高，造波板的運動頻率決定波浪的周期。

水槽內的造流則由泵房內的循環水泵來控制。水槽前后兩端，通過管道聯入泵房內的電機組。通過設置泵房內的電機轉速，來調節流速。在直流調速系統的作用下，如果想增加流速，可以通過流量控制柜使直流電機轉速增加。當流速升到與流速給定值相等時，流速調節器輸出穩定在某一數值上，直流電機轉速也穩定在某一轉速上，因而流速也穩定在對應的數值上。一般來說，流速大小和電機的轉速成正比。

三、實驗教學

在船舶與海洋工程、港口航道與海岸工程這兩門主要海洋學科與近海學科的專業中，有很多學科將波浪和急流作為學習對象，此時波流水槽可為這些課程提供實驗教學的條件，如海岸動力學、工程水文學、水工建筑物、船舶原理等，同時為相關課程承擔一定的科研服務。

（一）海岸動力學

海岸動力學是研究海岸水動力和海岸泥沙運動的課程[3]（前言）。其中，海岸水動力學主要涉及有限水深波浪的運動，可利用波流水槽來認識有限水深波的運動。利用造波系統，可以很方便地完成多種波浪的造波，如正弦波、斯托克斯波、淺水非線性波等。由于海岸動力學中較少涉及深水波浪，在水深有限的情況下可利用深度約一米的波流水槽完成常見波浪的造波。造波過程比較簡單，造波機歸零后設置好目標的波浪參數，無論是利用推板式還是搖板式，大約經歷兩三個波長后波形即可穩定。此時，可利用波高儀記錄下波浪的波高、周期等數據。同時，玻璃水槽側面的移步平臺的長度較長，提供了足夠的空間讓實驗者觀察造波的過程。

另外，海岸泥沙運動中，水流的流速也是一個很關鍵的內容。利用波流數值水槽，可以完成恒定流和非恒定流的造流實驗。相比造波而言，造流涉及參數較少，實驗也相對更簡單。

（二）工程水文學

工程水文學是水文學的一個分支，是為工程規劃設計、施工建設及運行管理提供水文依據的一門學科[4]（前言），主要分為水文分析計算和水文預報兩方面。書中比較注重水的流動特性，且要求學生掌握河流流量與斷面流速的測定方法。

實驗中，流速儀的安置和使用是主要內容。由于波流水槽橫截面尺寸整體較小，流速儀可以通過水槽頂部的支架比較方便的安置在水下的不同深度。同時，流量控制柜可以對不同深度的水流設置不同的流速，提供很好的實驗條件。但是，如果想要設置某一特定的流速，流速的具體數值卻無法在流量控制系統中直接設置，這樣，需要靠調節電機的轉速來進行反饋控制。

（三）水工建筑物

水工建筑物的主要學習對象是擋水、泄水、輸水、引水、整治等各類服務于水利工程的建筑物[5]（前言）。其中，泄水建筑物是一個重要的教學環節。在實驗教學環節中，可利用波流水槽進行泄水建筑物的消能實驗。泄水建筑物主要指為宣泄超標的洪水或澇水的水工建筑，如堰、閘、橋、涵、陡坎等。而消能則是把建筑物宣泄出來的急速的水流轉變為緩流的一種處理手段。常用的消能方式有3種：底流消能、挑流消能、面流消能。消能方式見圖3。

在實驗中，從水工建筑物泄水的流速，可以通過流量控制柜進行調節，保證實驗期間流速穩定。另外，需要在消能裝置前后，布置好流速計測量流速。

對于不同的消能方式，需要在水槽內安放不同的消能裝置。由于消能裝置前后方的流速計分別用來測消能前后的急流和緩流，可適當選擇流速計的測量范圍。根據前后的流速，可以判斷消能效果。而消能的實驗過程，站在玻璃水槽兩側，可以很清楚地進行觀察。

如果還需要測量泄水建筑物的壓力，則需要在實驗水槽中安置建筑物的模型，此時，實驗裝置的布置會顯得相對比較復雜。

（四）船舶原理

船舶原理是船舶與海洋工程專業的一門主修課程，涵蓋了船舶靜止和航行時的各項動力學性能，包括浮性、穩性、抗沉性、快速性、操縱性、耐波性等內容。[6]（前言）其中，耐波性是以波浪為研究對象的非常抽象的內容，可適當安排教學實驗。

在耐波性的教學環節中，不規則波的理論體系基于長期的統計數據，學習起來比較吃力。此處，可適當安排教學實驗來幫助加深認識。在波流水槽中，由于造波系統提供了Jonswap譜、B-M譜等常見的波浪譜，可以利用湊譜造出不規則波。圖4的系統界面列出了多種不同波流譜，可供實驗人員選擇。造波的步驟與規則波相同。但是，規則波有統一的波浪參數，但不規則波由多個不同波高和周期的規則疊加而成，在水槽實驗中無法測量到統一的波高和周期，僅能得到無規律性的水位變化曲線。但是波流水槽依然提供了一個很好的條件，供實驗者觀察多種的不規則波。

另外，船舶原理中關于快速性的部分，船模阻力實驗與螺旋槳敞水實驗都出現在教學環節中，這兩個實驗通常在實驗水池中進行。但是在波流水槽中，實現難度較大，都需要配備和水槽相適應的船模、槳模、固定裝置、螺旋槳主機等，且阻力和轉矩等主要參數測量困難。

四、總結

綜上所述，波流水槽可以很便利地造出船舶與海洋工程、港口航道與海岸工程等專業中常見波浪和水流，在觀察波浪及水流的運動形態變化方面起到了顯著的作用，并提供了良好的條件來幫助學生了解和掌握其中的動力學特征，從而很好地服務于本科教學實驗。

相比波浪水池，實驗裝置簡單的波流水槽能完成常規的數字造波，并通過電機轉速來控制流速，從而完成水動力學相關專業領域內的很多本科教學實驗。然而，對于部分復雜的實驗，波流水槽的效果依然十分有限，無法替代波浪水池。

參考文獻

[1]李宏偉.造波理論與方法研究[M].哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2013：1-15.

[2]蔣頡.主動吸收式造波機造波原理研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2009.

[3]鄒志利.海岸動力學[M].北京：人民交通出版社，2009：前言.

[4]邱大洪.工程水文學[M].北京：人民交通出版社，2011：前言.

[5]楊邦柱.水工建筑物[M].北京：中國水利水電出版社，2009：前言.

[6]盛振邦，劉應中.船舶原理（下冊）[M].上海：上海交通大學出版社，2014：前言.