水池造波技術及發(fā)展概況

馬玉麟 孫永明 王帥軍

摘要：本文闡述了實驗水池中造波機及其理論的研究。結合造波技術的發(fā)展趨勢，概述了國內外現(xiàn)有的波浪模擬技術。

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動的主要動力之一。因此，海洋波浪模擬作為一項重要技術，對此的研究在船舶、港口、海洋工程等領域占有重要的位置，也有著極大的現(xiàn)實意義。隨著海洋工程的發(fā)展，新的海洋環(huán)境對造波技術及波浪模擬提出了更高的要求。

1 造波機及波浪模擬技術

眾所周知，海浪是一種三維的隨機過程，其周期、波高均隨即變化。在實驗室中，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)則波來對海浪進行描述。通俗的說，只要對水面進行擾動, 水面就會有波浪產生。造波機即為給水以擾動的機械用于模擬波浪。

1.1 造波機的發(fā)展

我國在造波方面的研究工作從二十世紀五十年代起步，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，如今已完全采用計算機進行造波控制。目前，主要的造波機類型可分為：搖板式，推板式，沖箱式以及空氣式造波機。其中，搖板式和推板式造波機應用最廣泛，因為這兩者具有結構簡單、控制方便、便于維護的特點。搖板式一般應用于深水域造波，而推板式一般運用于淺水域造波。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的重要一環(huán)。

1.2 實驗室波浪模擬技術

天然波浪是很復雜的，人們對它的認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。實驗室中，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，將實驗中使用的規(guī)則波定義為二元微幅進行波。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，就可以造出相應的正弦波來。將試驗所需規(guī)則波的波高除以造波機的傳遞函數(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，實際的海浪屬于不規(guī)則波。其特點是波浪的波高和周期大小的隨機變化的，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)的隨機過程，由多個不同周期和不同隨機初位相的余弦波疊加而成。實驗中，通常通過波浪的特征量，如波高、周期、波速等，應用的波浪譜來描述。

2 無反射造波

當波浪遇到障礙物時，會發(fā)生部分或全部的反射。在自然條件下，海洋結構物所處的海域環(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。而在實驗室波浪模擬試驗中，不可能建造無限大的水池或水槽。因此一段時間內一部分波浪會傳播到水池的盡頭產生反射波，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相遇，多次來回反射產生干擾，很大程度上影響了波浪的質量，也影響了整個實驗的準確度和精度。為了解決這個問題，研究人員想到加長實驗水池的長度，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，無反射造波技術便應運而生，造波機也向著吸收式造波的方向發(fā)展。目前，國內外對消波技術的研究也不斷深入，實驗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：在水池中設置消波器及填充材料，對造波板與池壁間的反射波進行削減，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)生器一種與原來運動反向的信號，從而獲得吸收反射波的效果。

3 結論與展望

綜上所述，人們現(xiàn)階段對造波機波浪模擬技術的研究達到相當深度。其中造波系統(tǒng)和消波技術是對模擬波浪研究中重要的兩個環(huán)節(jié)。相信學者對現(xiàn)有理論和實驗成果的進一步探究，必定能推動海洋波浪模擬技術的快速發(fā)展，模擬出更接近實際海況的實驗環(huán)境，便于操作計算，并作為研究基礎，推動中國海洋工程的發(fā)展。

參考文獻

[1] 劉月琴,尹尚生.實驗室造波設備及波浪模擬技術的探討[J].華南理工大學學報(自然科學版),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,2009.