小型推板式波浪水槽的性能測(cè)試分析*

盤 俊 吳靜萍 姜曼松 鄭曉偉 趙小仨

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)綠色船舶與海工裝備技術(shù)研究中心2) 武漢 430063)

小型推板式波浪水槽的性能測(cè)試分析*

盤 俊1)吳靜萍1,2)姜曼松1)鄭曉偉1)趙小仨1)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)武漢 430063) (武漢理工大學(xué)綠色船舶與海工裝備技術(shù)研究中心2)武漢 430063)

波浪水槽是研究波浪運(yùn)動(dòng)及其與結(jié)構(gòu)物相互作用問題的試驗(yàn)設(shè)備,其造波的重復(fù)性、穩(wěn)定性和沿程衰減程度會(huì)影響試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和所采用的試驗(yàn)結(jié)果分析方法.文中結(jié)合武漢理工大學(xué)交通學(xué)院流體力學(xué)試驗(yàn)室新改建的小型推板式波浪水槽,展開了水槽造波性能測(cè)試分析,主要涉及規(guī)則波的波高和周期的重復(fù)性、穩(wěn)定性,以及波高沿程衰減程度.結(jié)果表明,水槽造波的波高和波周期的重復(fù)性與穩(wěn)定性誤差,以及單位距離波高沿程衰減程度均較小.

波浪水槽；推板式造波；重復(fù)性；穩(wěn)定性

0 引 言

波浪水槽再現(xiàn)實(shí)際海浪,進(jìn)行各種與波浪運(yùn)動(dòng)相關(guān)的研究是目前海岸工程、港口與航道工程、船舶與海洋工程等行業(yè)重要的試驗(yàn)研究設(shè)備.

Ernst等[1]在一個(gè)小到1 in寬的水槽內(nèi)通過注滿流體的管體瀉流來產(chǎn)生波浪到目前世界上最大的長(zhǎng)×寬×高為450 m×5 m×12 m的天科院大比尺度推板造波水槽之后,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)建造了大量的不同尺度的大、中、小型波浪水槽.其中按照造波方式又分推板式和搖板式[2].推板式適用于淺水造波,搖板式適用于較深水造波.而且僅推板式波浪水槽也是為數(shù)眾多,如德國(guó)漢諾威大學(xué)110 m×1 m×1.2 m的大型推板式造波的波浪水槽,新加坡國(guó)立大學(xué)38 m×0.9 m×0.9 m的中型推板式造波波浪水槽,英國(guó)諾丁漢大學(xué)15 m×0.2 m×0.5 m的小型推板造波波浪水槽,挪威科技大學(xué)13 m×0.6 m×1 m的小型推板造波波浪水槽,麻省理工學(xué)院9.6 m×1.2 m×1 m的小型推板造波波浪水槽.

波浪水槽一般由造波段、試驗(yàn)段和消波段組成.水槽的造波技術(shù)和消波方法對(duì)水槽的性能起著決定性作用.文中波浪水槽的性能測(cè)量分析是在試驗(yàn)段進(jìn)行的.

劉月琴等[3]對(duì)華南理工大學(xué)32 m×1 m×1.5 m的中型推板式造波的波浪水槽進(jìn)行了造不規(guī)則波的穩(wěn)定性和重復(fù)性分析,其平均波高誤差小于4.87%,平均周期誤差小于4.59%,波高重復(fù)性誤差小于1.87%.吳珷[4]對(duì)重慶交通學(xué)院水港系72 m×1.5 m×1.7 m的大型推板造波水槽進(jìn)行了重復(fù)性、穩(wěn)定性和橫向均勻性分析,各種誤差均小于5%.馬勇等[5]在哈爾濱工程大學(xué)的波浪水槽中進(jìn)行了規(guī)則波重復(fù)試驗(yàn),波高誤差在-2.0%～1.0%,周期誤差為0.2%～2.2%.

文中以武漢理工大學(xué)交通學(xué)院流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室的新改造的小型推板式波浪水槽進(jìn)行了規(guī)則波的穩(wěn)定性、重復(fù)性和波高沿程衰減度的測(cè)試分析.首先將試驗(yàn)波形與二階、三階Stokes波解析波形比較,驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)和測(cè)量是成功的.然后對(duì)兩組波陡下所做的系列實(shí)驗(yàn)進(jìn)行波高、波周期性能分析.依據(jù)文中測(cè)量?jī)x器采集的數(shù)據(jù)分析可知,該水槽造波的波高的重復(fù)性及穩(wěn)定性誤差均小于5%,波周期的重復(fù)性及穩(wěn)定性誤差均小于0.5%,而且水槽的波高衰減程度,即單位距離波高相對(duì)衰減值小于2%,均比較小.

1 造波設(shè)備和測(cè)量?jī)x器

武漢理工大學(xué)交通學(xué)院流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室槽體主尺度長(zhǎng)18 m、寬0.6 m、高0.8 m,見圖1.整個(gè)槽體采用的是鋼骨架結(jié)構(gòu),側(cè)壁面和底壁面是2 cm 厚的鋼化玻璃,兩側(cè)壁間距誤差小于 2 mm,底壁面水平高度誤差小于1 mm.圖1b)水槽沿程尺寸和實(shí)驗(yàn)時(shí)四個(gè)浪高儀的布置位置.采用推板式造波,可造規(guī)則波、不規(guī)則波以及孤立波.

圖1 波浪水槽示意圖

造波機(jī)采用電液模擬量的伺服控制方式,推動(dòng)造波板造波.造波板的材料選用剛度高的電木板,豎直放置,距槽底面約有2 mm的縫隙,距兩側(cè)面1～2 mm,推板的最大沖程為±300 mm.伺服控制具有控制精度高、過載能力強(qiáng)和機(jī)械性能好等優(yōu)點(diǎn),使造波的重復(fù)性和穩(wěn)定性有了保障.

對(duì)于消波段的處理,從三個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì).①根據(jù)建造區(qū)域面積特點(diǎn)設(shè)計(jì)為U形,增加消波段面積,有助于減小波浪反射,見圖2a).②在末端池壁前垂直放置折角板,見圖2b).該折角板的設(shè)計(jì)使大部分入射波被該板反射到U形結(jié)構(gòu)形式的一側(cè),便于集中耗散波浪能量.③采用柔性組合帆布結(jié)構(gòu)物無約束鋪設(shè)在消波段的水面,既可消波,又可減小對(duì)入射波的反射,見圖2c).

圖2 波浪水槽消波段結(jié)構(gòu)示意圖

測(cè)量波面抬高的儀器為SDA1000型數(shù)字浪高儀,其量程為40 cm,誤差在0.5%以內(nèi),采樣頻率為100 Hz.試驗(yàn)時(shí),沿水槽方向布置四個(gè)浪高儀p1，p2，p3和p4,其中p1和p2是一組,p3和p4是一組，其位置見圖1b).兩組浪高儀之間距離為S=6.89 m.這種分組的浪高儀布置是為后續(xù)在水槽中進(jìn)行消波模型試驗(yàn)中分析入射波、反射波和透射波波高準(zhǔn)備的,兩組浪高儀之間的空間用于安裝消波試驗(yàn)?zāi)Ｐ?

2 試驗(yàn)波形與Stokes波形比較

試驗(yàn)時(shí),取了兩種不同波陡(波高/波長(zhǎng))H/L=0.06,0.10造波,以反映水槽造不同非線性程度波的性能;在每個(gè)波陡下改變波長(zhǎng)做系列造波試驗(yàn),以反映對(duì)于不同波長(zhǎng)的造波性能.

對(duì)于波陡H/L=0.06取了14個(gè)波長(zhǎng)：L=0.55,0.6,0.65,0.7,0.75,0.8,0.85,0.9,1.0,1.1,1.2,1.5,1.8,2.0 m.實(shí)際造出的波的量綱一的量參數(shù)范圍為：H/(gT2)=0.008～0.009,h/(gT2)=0.02～0.16,在圖3中用*標(biāo)出.對(duì)于波陡H/L=0.10取了13個(gè)波長(zhǎng)：L=0.55,0.6,0.65,0.7,0.75,0.8,0.85,0.9,1.0,1.1,1.4,1.5,1.8 m.實(shí)際造出的波的量綱一的量參數(shù)范圍為：H/(gT2)=0.012～0.015、h/(gT2)=0.03～0.16,在圖3中用?標(biāo)出.圖3為波浪理論適用范圍圖[6].由圖3可知,標(biāo)記點(diǎn)位于二階Sokes波和三階Stokes波的范圍內(nèi).

圖3 試驗(yàn)非線性波所處的波浪理論范圍

圖4 試驗(yàn)波形與Stokes波形比較

文中試驗(yàn)過程中,保持水深h=0.5 m不變.

由圖4可知,圖4a)中試驗(yàn)波形與二階Stokes波吻合更好,而圖4b)試驗(yàn)波形與三階Stokes波形更吻合，說明造波系統(tǒng)和測(cè)量設(shè)備的工作正常.

3 波浪水槽性能測(cè)試分析

根據(jù)文獻(xiàn)[7]中要求造波設(shè)備產(chǎn)生的波形平穩(wěn),且重復(fù)性好.文中除了對(duì)水槽造波的穩(wěn)定性和重復(fù)性進(jìn)行分析之外,還對(duì)波高在傳播方向上的衰減程度進(jìn)行了分析.

造波測(cè)試試驗(yàn)分別在5月5號(hào)和5月13號(hào)2 d進(jìn)行的,分別用0505和0513標(biāo)記.試驗(yàn)水深保持0.5 m不變.2 d輸入的造波參數(shù)完全相同,實(shí)際造波的有因次和無因次參數(shù)范圍見第2節(jié).

3.1 波高和周期穩(wěn)定性分析

按照文獻(xiàn)[7],波高穩(wěn)定性誤差RH計(jì)算式為

(1)

式中:Hmax為最大波高；Hmin為最小波高；H為平均波高.

周期穩(wěn)定性RT的計(jì)算方法同上.

穩(wěn)定性要求在一次造波過程中，所造波的周期和波高在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)保持穩(wěn)定。穩(wěn)定性誤差RH的值越小,表示該水槽所造波越平穩(wěn).

穩(wěn)定性分析選取5月5號(hào)這一天造波試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見圖5～6.圖中每個(gè)波形給出了兩個(gè)浪高儀p1和p2的分析結(jié)果.

圖5 波高穩(wěn)定性誤差測(cè)試分析

圖6 周期穩(wěn)定性誤差測(cè)試分析

影響造波穩(wěn)定性的原因可能是造波板與池壁間的縫隙、造波板運(yùn)動(dòng)受到水槽一端振蕩波浪力的影響以及浪高儀的性能不良導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不穩(wěn)定.由圖5～6可知,該波浪水槽所造波的波高和周期的穩(wěn)定性誤差均小于5%,說明該水槽的造波穩(wěn)定性比較好.

3.2 波高和周期重復(fù)性分析

按照文獻(xiàn)[7],波高重復(fù)性誤差ecH為

(2)

周期重復(fù)性ecT的計(jì)算方法同上.

重復(fù)性要求在多次造波過程中，各次所造波的周期和波高具有良好的同一性。重復(fù)性誤差數(shù)值越小,則表示波浪水槽的重復(fù)性越好.

重復(fù)性分析采用0505和0513兩次的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，見圖7～8.圖中縱坐標(biāo)ecH和ecT分別為水槽所造波的波高和周期重復(fù)性誤差.

圖7 波高重復(fù)性誤差測(cè)試分析

圖8 周期重復(fù)性誤差測(cè)試分析

圖7a)中7號(hào)波的周期和波高的重復(fù)性誤差值偏大,查看兩次試驗(yàn)中7號(hào)波的原始波形,發(fā)現(xiàn)其中一次測(cè)得的數(shù)據(jù)偏小,原因可能是浪高儀故障導(dǎo)致測(cè)量出錯(cuò).除此之外,由圖7可知,水槽的波高重復(fù)性誤差一般不超過5%,說明兩次試驗(yàn)水槽的波高非常接近；由圖8可知,水槽的周期重復(fù)性誤差小于0.5%,幾乎為0,說明兩次試驗(yàn)造波機(jī)的周期基本相同.從分析可知,該造波機(jī)在伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下,具有優(yōu)良的波高和周期重復(fù)性.

3.3 波高沿程衰減程度分析

波浪沿水槽長(zhǎng)度方向傳播,由于水的粘性等因素影響,其波高呈衰減趨勢(shì).

文中波高沿程衰減程度采用單位距離相對(duì)波高沿程衰減程度Hd來表示，即

Hd=(|H1-H2|/H1/S)×100%

(3)

式中：H1為p1浪高儀測(cè)量的平均波高；H2為p3浪高儀測(cè)量的平均波高.p1、p3浪高儀之間的距離S=6.89 m.

Hd值越大,衰減程度越大.

圖9為兩組無因次波形參數(shù)為H/(gT2)=0.008～0.009和H/gT22=0.012～0.015的波高沿程衰減程度散點(diǎn)圖.

圖9 波高衰減程度測(cè)試分析

由圖9可知,單位距離波高的衰減程度均小于2%.波高衰減主要來自流體粘性,以及對(duì)于非線性波采用線性造波理論有一些關(guān)系,后續(xù)會(huì)進(jìn)行改進(jìn).

4 結(jié) 束 語(yǔ)

文中分析了武漢理工大學(xué)流體力學(xué)試驗(yàn)室的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、線性造波理論、推板造波的小型波浪水槽在水深0.5 m時(shí)所造波的重復(fù)性、穩(wěn)定性和沿程衰減程度.數(shù)據(jù)分析可知,該水槽的波高的重復(fù)性及穩(wěn)定性誤差均小于5%,波周期的重復(fù)性及穩(wěn)定性誤差均小于0.5%,而水槽的單位距離波高衰減程度小于2%.該波浪水槽的設(shè)計(jì)和建造為水波問題研究提供了重要的平臺(tái).

[1] ERNST H W, WILHELM E W. Wellenlehre: auf experimente gegrundet oder uber die wellen tropfbarer flussigkeiten mit anwendung auf die schall-und licthwellen[M]. Leipzig: Nabu Press,1825.

[2] 殷缶,梅深.全球最大波浪實(shí)驗(yàn)水槽首次實(shí)驗(yàn)成功[J].水道港口,2014(5):502-502.

[3] 劉月琴,尹尚先.實(shí)驗(yàn)室造波設(shè)備及波浪模擬技術(shù)的探討[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2000,28(6):105-109.

[4] 吳珷.70 m水槽造波機(jī)性能研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),1996,15(3):85-91.

[5] 馬勇,由世洲,馬良,等.波浪生成研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)用水槽系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].船海工程,2012,41(4):88-91.

[6] BERNARD L M. An introduction to hydrodynamics and water waves[M]. New York: Springer,1976.

[7] 中華人民共和國(guó)交通部.波浪模型試驗(yàn)規(guī)程：JTJ/T234-2001[S].北京：人民交通出版社，2002.

Performance Test and Analysis on a Small Piston-type Wave Flume

PANJun1)WUJingping1,2)JIANGMansong1)ZHENGXiaowei1)ZHAOXiaosa1)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(GreenShipandMarineEngineeringEquipmentTechnologyResearchCentre,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)2)

A wave flume is an important experiment facility to study the problem of wave motion and wave-structure interaction. The important factors, such as the repeatability, stability and the attenuation degree of the wave have remarkable effect on the experiment design and the choice of result analysis method. The small piston-type wavemaker flume at the Fluid Mechanics Laboratory, School of Transportation, Wuhan University of Technology, was used to conduct the performance test and analysis of flume wave, including the repeatability and stability analysis on height and period of regular wave and the attenuation degree analysis on wave height. The results indicate that the errors on wave height, repeatability and stability of period, and the attenuation degree of wave height in unit distance are small with wave flume.

wave flume; piston-wavemaker; repeatability; stability

U656.2

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.06.021

2017-10-06

盤俊(1993—)：男,碩士生,主要研究領(lǐng)域?yàn)楣こ塘黧w力學(xué)

*國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51679177)