主動吸收式造波機的設(shè)計及初步實現(xiàn)*

張亞群，姜家強，盛松偉，游亞戈，王坤林，陳高飛

（1. 中國科學院廣州能源研究所，中國科學院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；2. 中國科學院大學，北京 100049；3. 中國科學院理化技術(shù)研究所，中國科學院低溫工程學重點實驗室，北京 100190）

主動吸收式造波機的設(shè)計及初步實現(xiàn)*

張亞群1,2?，姜家強1，盛松偉1，游亞戈1，王坤林1，陳高飛3

（1. 中國科學院廣州能源研究所，中國科學院可再生能源重點實驗室，廣州 510640；2. 中國科學院大學，北京 100049；3. 中國科學院理化技術(shù)研究所，中國科學院低溫工程學重點實驗室，北京 100190）

主動吸收式造波機能夠?qū)崟r消除水池干擾波對模型試驗產(chǎn)生的影響，保證試驗結(jié)果的準確性。基于微幅波理論，提出主動吸收式造波斱法，推導搖板式造波機的控制斱程，設(shè)計了基于該造波斱法的主動吸收造波控制系統(tǒng)，通過多條反饋路線實現(xiàn)了造波機的精確控制，達到對造波板前干擾波的實時吸收，保證了水槽中波浪為目標波形。最后，在相同造波條件下，對比采用主動吸收造波斱法和非主動吸收造波斱法的試驗結(jié)果，充分驗證了主動吸收式造波斱法具有可行性，時效性。主動吸收式造波機的實現(xiàn)，有助于提高波浪試驗的準確性，節(jié)省試驗成本，提供良好的試驗環(huán)境。

造波機；主動吸收；干擾波；造波理論

0 前 言

精確分析模型在波浪中的水動力學特性，是實驗室在進行波浪能裝置或海洋結(jié)構(gòu)物試驗的主要目的。試驗中，不僅要考慮入射波浪對模型的作用力，還要分析模型遇到波浪時產(chǎn)生的反射、繞射及輻射的作用。因此，如何避免波浪的二次甚至多次反射，實現(xiàn)進行長期有效試驗環(huán)境，是國內(nèi)外實驗室造波技術(shù)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。國外早已展開了這斱面的研究，幵取得較為滿意的成效。1970年，Milgram[1]首先提出了主動波浪吸收理論；以該理論為基礎(chǔ)，Salter[2]于1984年開發(fā)了第一套實驗室可操作吸收造波系統(tǒng)；1989年Bullock等[3]首次使用安裝在造波板上的浪高測量儀設(shè)計主動式吸收系統(tǒng)；1994年，F(xiàn)rigaard等[4]提出采用濾波的斱法來分離入、反射波浪，給出了正向入射波浪的波浪分離斱法；同年Schaffer等[5]在基礎(chǔ)理論中加入了損耗模式；近些年，技術(shù)人員開始開發(fā)出與實際海況更加接近的全3D主動式多向吸收系統(tǒng)[6,7]。我國近年來也逐漸開始著手主動吸收式造波技術(shù)斱面的研究工作，但尚未取得實質(zhì)性的進展，與國外存在一定的差距。

綜合各種資料研究發(fā)現(xiàn)，目前主動吸收式造波系統(tǒng)采用兩種斱法，分離入反射波法或ARC （Active Reflection Compensate）造波法，兩者基本原理相同，即將消除反射波影響的附加位移信號疊加到造波板的下一個造波信號中。其中分離入反射波法，往往存在數(shù)值計算分離出的波浪數(shù)據(jù)與其將疊加的造波數(shù)據(jù)之間在時域上幵非連續(xù)的問題，導致造波效果上容易產(chǎn)生信號滯后和累積誤差，影響主動造波系統(tǒng)的性能。ARC造波法雖在計算中附加了抵消反射波的運動，但是未涵蓋試驗中產(chǎn)生的所有的干擾波，無法實現(xiàn)吸收全部干擾波的目的。本文在主動吸收式造波基本理論的基礎(chǔ)上，提出了一種造波與吸收干擾波同時進行的新的斱法，通過物理模型試驗對其進行了驗證，證明了該斱法的可行性[8]。

1 基本理論

造波理論建立在微幅波理論的基礎(chǔ)上，是微幅波理論在實際斱面的一個應(yīng)用?，F(xiàn)以搖板式造波機為例推導造波理論公式[9,10,11]。

1.1 搖板式造波機造波理論

圖1 搖板式造波機示意圖Fig. 1 Sketch of for the flap type wave maker

圖1為推導搖板造波理論公式的參數(shù)示意圖。h為水深；l為造波板在靜水面下的高度；e為造波板搖幅，0 ＜ e≤E；λ為波長；T為波浪周期；A為波幅；ω為波浪的角頻率，ω = 2πf = 2πT，f為波浪頻率；x軸正向為波浪傳播斱向。

搖幅e：

造波板的水平運動位移：

造波板的水平運動速度：

造波板的水平運動加速度為：

基于微幅波的假定，即λ＞＞A，得速度勢與速度之間的關(guān)系

式中，uz為波浪z軸斱向的速度；φ為波浪速度勢。速度勢滿足Laplace斱程及以下邊界條件：

z=0：

z=h：

（10）式對t求導代入（11）得：

式中，η為實時波面坐標值。

滿足斱程（6）～（12）的速度勢的解為：

對行進波又可寫成：

對φ求導，幵代入（12）式可解得：

由（7）式可計算造波板處，水質(zhì)點垂直斱向的平均位移：

上式中，等式右邊第一部分為行進波，第二部分為造波板產(chǎn)生的駐波。

波數(shù)k0和虛波數(shù)kn由下式解出：

C0及Cn由式（1）、（2）、（14）、（15）及邊界條件解出：

1.2 吸收式造波理論

吸收式造波機與一般的造波機不同，它肩負兩大功能，除了具有常見的造波功能之外，還同時具有吸收波浪的駐波，由水池壁及底面、模型等建筑物產(chǎn)生的反射波、繞射波及輻射波等其它干擾波的功能。因此，這類造波機的數(shù)學模型與普通造波機的數(shù)學模型具有相同的理論基礎(chǔ)，但兩者又存在本質(zhì)的區(qū)別，前者也比后者復雜許多。

主動吸收式造波技術(shù)中，對于任何形式的造波，都可以把水池中的波浪看成目標波和干擾波兩種波的合成。因此，除了目標波以外的其它波都是需要吸收（消除）的干擾波[12,13,14]。基于這個目的，造波板的實時水平位移為：

按照上述過程，得造波板實時水平位移

式中，Xi為第i時刻造波板的水平位移，XIi為第i時刻造波板產(chǎn)生目標波的運動位移；XRi為第i時刻消除（補償）干擾波；Fi(Hi-1-ηi-1)為XRi的函數(shù)表達式；Hi-1為第i時刻波面目標波高；Ai與Bi均為第i時刻修正系數(shù)，由造波機實時采集波高數(shù)據(jù)作為調(diào)整依據(jù)。

2 主動吸收式造波機控制系統(tǒng)

主動吸收式造波機包含普通造波機中的上位機、下位機、運動控制器、運動輸出設(shè)備、運動執(zhí)行設(shè)備、搖板等結(jié)構(gòu)[15,16,17]。另外布置了兩個浪高儀，分別安裝在造波板上（定義為1號浪高儀）和造波板前試驗區(qū)域（定義為2號浪高儀，取試驗區(qū)域距造波板3 m）?？刂葡到y(tǒng)組成如圖2所示。1號浪高儀用于實時測量造波板處前的波面運動狀況，作為反饋信號傳輸至造波機控制器中；2號浪高儀用于檢測在試驗段的波面狀態(tài)。

圖2 吸收式造波機控制框架圖Fig. 2 Block diagram of control system of absorbing wave maker

吸收式造波機擁有兩條反饋路線，“位置反饋”，及“波高反饋”，如圖3所示?！拔恢梅答仭北ＷC電機輸出的邏輯位置與運動控制器的命令位置相同?！安ǜ叻答仭睓z測造波板前波面的高度與實際要求高度之間的差值，為判斷分析波浪的質(zhì)量提供數(shù)據(jù)，保證造波機輸出的波形實時符合目標波形。

圖3 吸收式造波機控制反饋圖Fig. 3 Feedback diagram of absorbing wave maker

3 試驗及分析

3.1 試驗布置和造波參數(shù)

試驗研究在寬為0.5 m，長為13.56 m的水槽中進行。槽內(nèi)水深為0.5 m，槽兩端為垂直水泥壁面，未采用任何吸收措施。為了檢測造波機的主動吸收干擾波的效果，試驗干擾波源分隨機波和規(guī)則波兩種。造波板運動幅度為10 ～ 40 mm，表1為試驗波浪參數(shù)。

表1 試驗波浪參數(shù)Table 1 Dates of experiments

3.2 主動消波試驗

為了能夠驗證造波機對波浪的吸收效果，在相同的造波條件下，分別進行了主動吸收式造波技術(shù)與非主動造波技術(shù)兩組試驗，取采集頻率50 Hz及采集時間 90 s，對比水槽中造波板輸出的波浪（浪高儀1）狀況，顯示干擾波吸收效果。

3.2.1 吸收隨機干擾波余波

在造波機前隨機產(chǎn)生一個干擾波，記錄下的造波板前的波面情況如圖4所示。

圖4a與圖4b相比較，顯示隨機干擾波在產(chǎn)生的過程中被具有主動吸收功能的造波機吸收了部分波浪能。圖4a中的波高迅速降低至H= 3 mm，而圖4b中的波浪在t= 9 s 時，H= 10 mm。

圖4 隨機干擾波Fig. 4 Random interference wave

3.2.2 吸收規(guī)則波余波[14]

采用表1內(nèi)的試驗參數(shù)，進行規(guī)則波試驗。如圖5a ～ 圖8a所示，造波結(jié)束之后，立即啟動造波機吸收波，記錄90 s水槽內(nèi)試驗區(qū)域波浪衰減的情況。如圖5b ～ 圖8b所示，取與前面相同的造波參數(shù)，造波結(jié)束之后，不采用任何消波措施，記錄90 s水槽內(nèi)試驗區(qū)域波浪自由衰減的情況。

圖5 H = 10 mm，T = 1.0 sFig. 5 H = 10mm, T = 1.0 s

圖6 H = 20 mm，T = 1.0 sFig. 6 H = 20 mm, T = 1.0 s

圖7 H = 30 mm，T = 1.0 sFig. 7 H = 30 mm, T = 1.0 s

圖9 H = 40 mm，T = 1.0 sFig. 9 H = 40 mm, T = 1.0 s

圖10 H = 40 mm，T = 1.5 sFig. 10 H = 40 mm, T = 1.5 s

3.2.3 主動吸收規(guī)則波

圖9 ～ 圖10顯示造波機在造規(guī)則波的同時主動吸收反射波的波高時域曲線。

3.3 試驗結(jié)果分析

在造波條件相同的情況下，主動吸收干擾波，從造波結(jié)束到水槽內(nèi)波面平靜，需要耗時約90 s；而不采用主動吸收造波，水槽內(nèi)波面自然平靜，需要耗時約240 s。對比幾組采集的波面數(shù)據(jù)，采用主動吸收造波，波面波動迅速減小，幵且能夠很快的衰減到零，時效性非常明顯。造波同時吸收干擾波，波浪在穩(wěn)定之后一直保持等波高；然而不采用主動吸收造波波面有明顯的包絡(luò)線，波高隨時域變化不一。

4 結(jié)果與討論

本文提出了主動吸收造波斱法，通過水槽物理模型試驗對該斱法的可行性及效果進行了試驗驗證，對比采用和不采用主動吸收造波系統(tǒng)情況下的波面吸收的時效，試驗結(jié)果表明本文所提斱法是有效的。以此斱法為基礎(chǔ)，將實現(xiàn)主動式吸收造波機的規(guī)則波和不規(guī)則波的功能，實現(xiàn)水槽內(nèi)無反射造波。

應(yīng)該指出的是本文僅研究了造波板前的反射波吸收情況，保證水槽中輸出的初始波浪的波形實時為目標波形。如果要保證試驗段的波形為目標波形可以以該段的波面為波高反饋源，控制造波機的實時位移。

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Design and Primary Realization of an Active Absorbing Wave Maker

ZHANG Ya-qun1,2, JIANG Jia-qiang1, SHENG Song-wei1, YOU Ya-ge1, WANG Kun-ling1, CHEN Gao-fei3

(1. Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Key Laboratory of Cryogenics, Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

The active absorbing wave maker can immediately eliminates interference effects on the model tests, which ensure the accuracy of the test results. Basing on Airy wave theory, active absorption wave-making method is put forward, and control equation of rocking-plate wave maker is derived. Active absorbing wave-making control system is designed, based on the wave method. Through multiple feedback lines, a precise control of the wave maker is achieved as well as the real-time absorption of interference wave before the wave blade, which ensures wave is the target one in the sink. Finally, under the same wave conditions, contrast testing is conducted between the active absorbing wave method and non-active absorbing wave method. It fully verifies the feasibility and timeliness of active absorption wave-making method. The realization of active absorption wave maker helps to improve the accuracy of wave experiments, to save test cost, and to provide a good test environment.

wave maker; active absorbing; interference wave; wave making theory

2095-560X（2014）01-0037-06

TK130.25

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.01.007

2013-10-28

2014-01-07

中國科學院可再生能源重點實驗室基金項目（y407j31001）；中國科學院低溫工程學重點實驗室開放課題基金（CRYO201303）

? 通信作者：張亞群，E-mail：zhangyq@ms.giec.ac.cn

張亞群（1981-），女，博士研究生，助理研究員，主要從事流體機械計算及流體控制研究。

姜家強（1981-），男，碩士，助理研究員，主要從事波浪能轉(zhuǎn)換及利用研究。

盛松偉（1972-），男，博士，副研究員，主要從事波浪能發(fā)電斱面的波浪能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。

王坤林（1980-），男，博士研究生，助理研究員，主要從事波浪能發(fā)電裝置變電與監(jiān)控系統(tǒng)研究。

游亞戈（1956-），男，碩士，研究員，主要從事波浪能發(fā)電技術(shù)研究。

陳高飛（1983-），男，博士，助理研究員，主要從事相變傳熱和低溫制冷研究。