自主研發數值波浪水槽及其在海洋工程與技術專業實驗教學中的應用

摘 ?要：針對物理模型實驗成本高且存在比尺限制等問題，采用光滑粒子流體動力學（SPH）方法自主研發數值波浪水槽，并與物理波浪水槽相結合應用于海洋工程與技術專業的波浪實驗課程教學。教學改革和實踐表明，數值與物理波浪水槽相輔相成，可為學生提供靈活機動的創新實驗平臺，基于數值波浪水槽的虛擬仿真實驗可充分調動學生積極探索的熱情和主動學習的興趣，為培養海洋工程與技術專業的領軍人才奠定堅實基礎。

關鍵詞：數值波浪水槽;虛擬仿真;教學改革

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）34-0104-04

Abstract： Combined with the physical wave tank， the numerical wave tank is applied to the wave experiment teaching of marine engineering and technology major by using the smooth particle hydrodynamics（SPH） method due to the high cost and scale limitation of physical model. The teaching reform and practice show that the complementation of numerical and physical wave tank can provide flexible innovative experimental platform for undergraduate students. Virtual simulation experiment based on numerical wave tank can fully mobilize students' enthusiasm for active exploration and interest in active learning， and lay a solid foundation for training leading personnel in Marine Engineering and Technology.

Keywords： numerical wave tank; virtual simulation; teaching reform

波浪的形成變化及傳播規律是研究海岸地貌演變、港口及航道工程及海岸帶資源利用與保護的基礎，是土木、水利及海洋工程專業學生需牢固掌握的基本內容[1]。目前研究波浪傳播變化規律的主要方法包括物理模型試驗法、現場觀測法、理論分析法及數值模擬計算法。其中，物理模型試驗法通常采用實驗波浪水槽研究波浪傳播運動，該方法的優點在于物理概念清晰、直觀形象，但由于波浪水槽造價成本高，且受到物理模型與實際原型的比尺限制，在實際應用和推廣實踐中存在一定不足。隨著計算流體力學和數值仿真技術的發展，自主研發數值波浪水槽已成為彌補物理模型試驗不足的重要研究方向。與物理模型試驗相比，數值仿真具有可重復性、邊界條件易于控制、計算速度快、軟件通用性好等優點，能夠顯著提高實驗波浪水槽的教學實踐效果。因此，數值仿真技術與物理波浪水槽實驗相結合，是未來實驗教學的重要發展方向。

中山大學海洋工程與技術學院實驗教學中心擁有一臺高精度多功能實驗波浪水槽（如圖1（a）所示），每年承擔大量的專業實驗教學和大學生創新創業訓練計劃項目的實驗任務，教學實驗需求量大，水槽設備使用效率高。自主研發數值波浪水槽虛擬仿真技術（如圖1（b）所示）可有效緩解教學實驗壓力，提高教學效率，對海洋工程與技術實驗教學的升級及海洋工程領軍人才的培養具有重要意義。

一、數值波浪水槽虛擬仿真技術的自主研發

（一）數值波浪水槽建設總體方案

先進的數值仿真技術與傳統實驗教學相結合的思路，是培養學生提升本專業學習興趣，充分利用現有教學資源，推進實踐與理論相結合的創新教學模式[2]。數值波浪水槽作為近年來廣泛應用于海洋工程與技術專業的新型實驗教學設備，為學生提供靈活機動的創新實驗平臺，提升專業實驗課的教學質量。中山大學海洋工程與技術學院目前開設海岸動力學實驗、海洋沉積學實驗、泥沙運動力學基礎實驗等數門教學實驗課，對波浪的數值仿真是研究波浪運動對河口海岸地帶“動力-沉積-地貌”格局演變的有效切入點。由于傳統的物理模型實驗成本高，且其比尺受到限制[3]，因此易造成學生對波浪運動過程的特征及規律認識深度不足。針對此技術難題，中山大學海洋工程與技術學院教學團隊采用光滑粒子流體動力學（SPH）方法自主研發數值波浪水槽，并與物理波浪水槽相結合，克服其缺點，完善數值波浪水槽的虛擬仿真功能，并應用于海洋工程與技術專業的實驗教學。

（二）數值波浪水槽虛擬仿真技術研發

數值波浪水槽虛擬仿真技術采用光滑粒子流體動力學（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）方法進行建模計算，該方法相對于傳統的基于網格的數值方法，由于其不需要依賴網格來輔助計算，因此能避免因網格存在而導致的計算困難。在實驗水槽中模擬波浪、水流，研究波浪和水流對水體中船體、港口工程和海洋工程建筑物的作用，可為工程設計和科學研究等提供重要技術支撐[4-5]。采用伺服電機驅動的單向不規則造波機，在室內高質量地模擬三維波浪，廣泛應用于波浪的傳播變化研究、波浪與海岸工程結構物的作用研究、船舶在波浪作用下的運動研究、海洋油氣平臺開發研究、波浪與水流的相互作用研究、臺風波浪的模擬以及考慮波浪影響的海上工程防災減災研究等[6-9]。

自主研發的數值波浪水槽可進行規則波（如正弦波、橢圓余弦波、二階波等，如圖2所示）和不規則波（規范譜、JONSWAP譜、PM譜、BM譜、ITTC譜、ISSC譜等，如圖3所示）的運動模擬，完全可以達到物理水槽的造波能力。自主研制的數值波浪水槽采用人性化設計理念，克服物理模型的局限性，能夠方便快捷地測量波浪要素，功能全面，系統維護簡單，可擴展性強。在對波浪傳播過程的模擬上，針對不同邊界條件、水質點個數，對各種條件下的波浪運動進行虛擬仿真，繪制水質點的流場和壓力場分布圖，直觀地了解波浪要素的變化，對海洋工程與技術等相關專業的實驗教學效果提供重要技術支撐。

二、數值波浪水槽虛擬仿真技術的教學實踐

數值波浪水槽虛擬仿真技術投入教學實踐以來收效顯著，與物理波浪水槽形成優勢互補，在改進教學模式、豐富教學內涵、完善教學體系等方面均發揮重要支撐作用。

（一）采用數值波浪水槽虛擬仿真技術，改進實驗教學模式

數值波浪水槽與物理波浪水槽功能一致，能按需求輸入與物理水槽相同的波浪特征參數和邊界條件，對教學實驗中的不同形態波浪進行模擬驗證以及敏感性試驗。與物理波浪水槽不同，數值波浪水槽不受時間和空間限制，既方便學生進行課前自主預習，提高課堂實驗教學效率，又方便學生在課后對實驗現象進一步深入了解和反復學習，加深對實驗原理和結論的認知理解[10]。同時，數值波浪水槽虛擬仿真技術的應用，大幅降低物理模型運作的耗材和維護成本，克服學生受設備數量限制而無法親自操作實驗的困擾，生動自主的虛擬仿真操控界面也有利于調動學生對波浪實驗的自主學習熱情，可以鍛煉學生，有效改進傳統單一的實驗教學模式。

（二）結合數值波浪水槽和物理波浪水槽對比驗證，豐富實驗教學內涵

在多數物理波浪水槽模擬實驗中，由于受到儀器（造波機和消波器）、拖動系統、水槽邊壁、搭接縫、模型等因素的干擾，導致物理波浪水槽結果與理論分析結果對比會出現一定偏差。數值波浪水槽和物理波浪水槽實驗的互補驗證，增加實驗結果的可信度與嚴謹度。同時，數值波浪水槽模擬和物理波浪水槽模擬實驗的對比驗證過程是理論與實踐的有機結合，既有助于提升學生數值模型構建能力，亦有助于充分鍛煉學生物理模型的搭建能力，顯著提升學生運用多種實驗方法探究科學問題的能力，培養學生全方位的科研綜合能力，以此豐富本實驗的教學內涵。

（三）“學生自主創新，教師引導為輔”，完善實驗教學體系

基于自主研發數值波浪水槽虛擬仿真技術，可進一步完善實驗教學體系，學生可基于虛擬仿真技術獨立進行實驗設計、實驗準備、實驗開展、實驗結果記錄、實驗報告撰寫，教師的作用以引導為輔，除課堂教學外，課外教師可借助系統對學生的提問給予解答，對報告進行批改，以形成及時的師生反饋。以往的本科專業實驗教學中，由于學生對實驗環境了解不足、缺乏實踐動手經驗，常出現實驗構想與實驗現象偏差較大的情況。數值波浪水槽在降低成本的前提下，讓學生參與完整的實驗過程，引導學生在實驗設計上的自主思考。此外，數值波浪水槽虛擬仿真技術也為挖掘學生的創新能力和綜合素養提供創新實驗平臺，學生可隨時設計不同波浪要素影響因子下的波浪場工況，驗證新構想的可行性，進而催生其創新思維的萌芽[11]。此虛擬仿真技術具有設備原理直觀、操控方便、安全性高、可視化程度高、實驗誤差小、性價比高等優點，可推廣到其他海洋工程、近岸港口航道院校及相關科研單位。

三、結束語

隨著計算機數值仿真技術的高速發展，數值仿真實驗與物理模型試驗相結合的教學方式是未來海洋工程與技術專業實驗教學的必然要求和發展趨勢[2]。中山大學海洋工程與技術學院實驗中心采用數值波浪水槽與物理波浪水槽相結合的創新教學模式，充分調動學生獨立探索、自主學習、創新實踐的熱情，在改進教學模式、豐富教學內涵、完善教學體系等方面均達到良好的實驗教學效果。

參考文獻：

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