畸形波的實(shí)驗(yàn)室重構(gòu)方法

秦淑芳， 劉亞伊， 張海明， 劉浩浪， 曹力瑋

（1.河海大學(xué)a.海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.港口海岸與近海工程學(xué)院，南京210098；2.蘇州市吳江區(qū)水務(wù)局河道管理處，江蘇蘇州215200）

0 引 言

畸形波是一種波高極大、波峰尖陡、能量集中、持續(xù)時(shí)間短的非線性極端波浪現(xiàn)象［1-2］。遠(yuǎn)洋船舶或海洋工程平臺的安全和經(jīng)濟(jì)設(shè)計(jì)都需要準(zhǔn)確描述這些極端波浪與結(jié)構(gòu)物的相互作用，以畸形波為代表的極端波浪是海洋工程防災(zāi)減災(zāi)亟需解決的關(guān)鍵問題之一［3-4］。

通常情況下，波浪水槽實(shí)驗(yàn)?zāi)転椴ɡ四M、數(shù)據(jù)采集提供穩(wěn)定可靠的研究環(huán)境，數(shù)值模擬也往往需要相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來驗(yàn)證其準(zhǔn)確性及適用范圍?；尾ㄔ诓ɡ怂蹆?nèi)的實(shí)現(xiàn)，是認(rèn)識畸形波特性以及進(jìn)一步探討畸形波與結(jié)構(gòu)物相互作用的前提［5］。波浪水槽中模擬畸形波比較常用的方法是基于線性波理論，通過調(diào)整指定頻率范圍的組成波分量的相位，使得各組成波在某個(gè)時(shí)刻聚焦在特定位置而出現(xiàn)較大的波高［6］。有作者利用這種波浪聚焦機(jī)制在有限水深中研究了波浪破碎過程或臨界條件［7-8］。鑒于該方法造波效率較低，Kriebel等［9］提出了一種更為有效的雙波列模擬方法，基本思想是基于同一波譜，把一部分能量分配給一個(gè)基本波列；另外一部分給一個(gè)瞬態(tài)波列，利用基本波列和瞬態(tài)波列線性疊加模擬畸形波。國內(nèi)眾多學(xué)者在該方法基礎(chǔ)上，通過調(diào)整組成波相位和瞬態(tài)波列的個(gè)數(shù)，提高了畸形波定點(diǎn)造波效率，但均未詳細(xì)說明該方法在物理水槽中的具體實(shí)現(xiàn)過程［10-11］。該類方法的優(yōu)點(diǎn)是原理簡單，易于推廣，但因?yàn)闆]有合理考慮非線性問題，很難保證所得畸形波的有效程度。

Clauss等［12-13］基于線性波能匯聚造波，考慮非線性作用對造波過程進(jìn)行調(diào)整。其基本思路是先利用改變組成波相位等方法定點(diǎn)造出基本符合要求的畸形波，再以此為初值，利用一個(gè)優(yōu)化算法不斷調(diào)整造波信號，最終使畸形波內(nèi)部運(yùn)動(dòng)特性基本符合歐拉方程。該類方法的優(yōu)點(diǎn)是提供了一個(gè)在實(shí)驗(yàn)室中考慮畸形波非線性的重要思路，從而使所得畸形波的有效性大大提高，但因所用優(yōu)化算法無論是從理論上還是計(jì)算速度上都有待改進(jìn)，目前該類方法還未能普及應(yīng)用。本文基于此類畸形波造波方法，通過控制造波機(jī)運(yùn)動(dòng)在實(shí)驗(yàn)水槽中實(shí)現(xiàn)定時(shí)定點(diǎn)聚焦生成畸形波，為數(shù)值模擬和畸形波特性研究提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備及方法

1.1 波浪水槽

實(shí)驗(yàn)在河海大學(xué)海岸災(zāi)害及防護(hù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的波浪水槽中進(jìn)行（以下簡稱實(shí)驗(yàn)水槽），該水槽長70 m，寬0.5 m，最大工作水深0.8 m。實(shí)驗(yàn)水槽一端配備數(shù)字控制的交流伺服推板式造波機(jī)，造波模擬信號通過接口板輸入至伺服驅(qū)動(dòng)器并輸出脈沖信號，交流伺服電動(dòng)機(jī)根據(jù)伺服驅(qū)動(dòng)器輸出的脈沖信號轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)器轉(zhuǎn)換成前后的直線運(yùn)動(dòng)，從而推動(dòng)造波板前后運(yùn)動(dòng)，造波板任意水深處的速度均一致。造波板安裝在帶直線滾珠導(dǎo)軌的框架上，造波板兩側(cè)邊壁和底部裝有密封的橡膠刮水器，以減少水體泄漏，造波機(jī)組成結(jié)構(gòu)如圖1 所示。實(shí)驗(yàn)前對造波機(jī)的造波性能進(jìn)行校核，水深0.5 m，周期1.5 s，波高3.6 cm波況重復(fù)3 次的波形如圖2 所示。可以發(fā)現(xiàn)，3 次造波的波面時(shí)序列吻合較好，且波形平穩(wěn)，造波與目標(biāo)值偏差小于2%，表明造波機(jī)的重復(fù)性較好，所造波浪準(zhǔn)確可靠。

圖1 造波機(jī)組成結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 造波機(jī)重復(fù)性驗(yàn)證

1.2 造波方法

本研究所用的實(shí)驗(yàn)水槽平時(shí)使用的都是封裝好的造波系統(tǒng)，只能用于模擬規(guī)則波和預(yù)設(shè)波譜的不規(guī)則波，且相位均是隨機(jī)產(chǎn)生，難以實(shí)現(xiàn)波浪定時(shí)、定點(diǎn)聚焦產(chǎn)生畸形波。根據(jù)造波機(jī)運(yùn)動(dòng)原理，編程自定義生成造波機(jī)電壓信號實(shí)現(xiàn)任意目標(biāo)波浪在水槽中的重現(xiàn)，且可重復(fù)性較好。

造波控制文件的電壓信號是二進(jìn)制數(shù)字量，數(shù)字量信號一般為2n個(gè)。此時(shí)需要將造波系統(tǒng)根據(jù)規(guī)則波參數(shù)生成的造波文件編譯轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制，然后得到與目標(biāo)波面相似的上下周期振蕩的電壓信號，電壓信號的振幅與波高儀采集到的振幅正相關(guān)，通過多組次規(guī)則波波面觀測可以率定得到不同水深和周期下的造波機(jī)電壓信號和波面之間的傳遞函數(shù)。

根據(jù)率定得到的傳遞函數(shù)可將目標(biāo)波面轉(zhuǎn)換成所需的電壓信號，再將電壓信號轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制的造波控制文件，然后通過造波系統(tǒng)讀取二進(jìn)制電壓信號驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)從而促使造波板運(yùn)動(dòng)得到模擬量。模擬量即為水槽波面變化，可通過波高儀等儀器測量記錄，自定義造波流程見圖3。為了避免造波機(jī)在啟動(dòng)和停止時(shí)可能產(chǎn)生較大的沖擊波，在電壓信號首尾各添加一過渡段的電壓信號。在該過渡段中，造波機(jī)將逐漸運(yùn)行至正常運(yùn)動(dòng)狀態(tài)或減慢至靜止，以避免可能引起的對造波系統(tǒng)有損壞的位移量。電壓信號末尾還應(yīng)添加一個(gè)異常大值信號，用于伺服驅(qū)動(dòng)器判斷造波終止。

目標(biāo)波面可通過理論公式編程實(shí)現(xiàn)，也可直接從已有的實(shí)測數(shù)據(jù)或數(shù)模波面得到。目標(biāo)波面轉(zhuǎn)換為造波控制文件時(shí)應(yīng)與造波機(jī)的輸出頻率保持一致，以避免復(fù)演波面的周期發(fā)生變化。

1.3 畸形波重構(gòu)方法

物理水槽實(shí)驗(yàn)作為研究波浪的重要手段，在畸形波模擬方面有3 種常用的生成方法［14］。① 波群速度法。根據(jù)波群速度計(jì)算波浪能量傳遞到聚焦位置所需要的時(shí)間，然后通過造波板傳遞函數(shù)和驅(qū)動(dòng)頻率可以計(jì)算得到造波板的運(yùn)動(dòng)位移。② 色散反演法。通過波浪色散關(guān)系將指定位置的脈沖信號反向推演至造波板處，然后計(jì)算得到造波板的運(yùn)動(dòng)位移。③相位速度法。將造波板運(yùn)動(dòng)分解成多個(gè)離散頻率的正弦運(yùn)動(dòng)，每個(gè)正弦運(yùn)動(dòng)的相位取決于聚焦位置到造波板的距離。本文采用相位速度法在物理水槽中模擬畸形波，計(jì)算過程如下。

波浪自由表面η（x，t）可表達(dá)為多個(gè)單頻波疊加形成，

式中：ai、ki、ωi和φi依次為第i 個(gè)組成波的振幅、波數(shù)、圓頻率和初相位；N為單頻波總數(shù)；ki和ωi滿足色散關(guān)系＝gkitanh（kih），g和h分別為重力加速度和水深。

依據(jù)圖3 所述的自定義生成造波文件方法，可將式（1）轉(zhuǎn)換為造波機(jī)電壓信號從而驅(qū)使造波機(jī)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生所需的目標(biāo)波面。

1.4 迭代優(yōu)化方法

根據(jù)式（1）計(jì)算造波板運(yùn)動(dòng)位移模擬得到的聚焦波面與目標(biāo)波面可能存在相位差，這是由于波浪傳播過程中各組成波會相互作用，使得波浪傳播速度較線性更快，聚焦波位置沿波浪傳播方向前移。因此，為了能夠模擬得到準(zhǔn)確的畸形波面，需要對造波板運(yùn)動(dòng)位移進(jìn)行迭代修正［15］。

迭代前選擇合適的時(shí)間窗口以包含目標(biāo)波面足夠有代表性的組成波分量但要盡量排除反射波的影響。首先對ηodd特定時(shí)間窗口的波面進(jìn)行FFT，然后通過分解后的頻域組成波的相位和振幅進(jìn)行迭代來修正造波機(jī)的輸入信號。為了減小造波機(jī)輸入信號和記錄波面之間的非線性，采用線性迭代方法：

通過記錄波面與目標(biāo)波面的相關(guān)系數(shù)來評估復(fù)演的精度：

式中：函數(shù)C 是協(xié)方差；ηt，ηr包含畸形波的時(shí)間窗口內(nèi)的目標(biāo)波面和記錄波面。

為了能夠重現(xiàn)目標(biāo)畸形波，除了Rη要接近1 外，畸形波波峰也是一個(gè)重要參數(shù)。波峰的準(zhǔn)確度可由Rc來描述：

通過多次相位校正的迭代獲得符合要求的Rη和Rc值，即符合要求的復(fù)演波浪。當(dāng)記錄波面滿足要求或不再收斂時(shí)，結(jié)束迭代。

線性迭代方法是基于線性理論給出造波機(jī)在特定位置所造的目標(biāo)波浪與造波板位移之間的傳遞函數(shù)，但因?yàn)榛尾ū旧硭哂械姆蔷€性特征，會導(dǎo)致利用線性理論得到的造波板信號所造出的波浪，在原有線性理論預(yù)測的基礎(chǔ)上還會產(chǎn)生新的自由長波，影響聚焦波的準(zhǔn)確模擬，在迭代時(shí)需要分離出記錄波面中的自由長波。本文采用Orszaghova 等［16］提出的諧波分離方法。

根據(jù)聚焦波峰和波谷疊加來分離奇數(shù)次和偶數(shù)次組成波，可寫成：

式中：ηodd包含奇數(shù)項(xiàng)諧波；ηeven包含偶數(shù)項(xiàng)諧波。采用ηodd作為相位迭代波面。運(yùn)用該方法分解實(shí)測波面能夠有效分離出造波板的自由長波。

1.5 波高儀布置

在距造波機(jī)20 m的聚焦位置附近布設(shè)24 根波高儀。波面高度的測量采用南京水利科學(xué)研究院所研制的DJ800 型多點(diǎn)測波系統(tǒng)，為電容式傳感器，其波高量程范圍為50 cm，測量精度為0.1 cm。波高儀布設(shè)及波浪水槽實(shí)驗(yàn)段分別如圖4 和圖5 所示。實(shí)驗(yàn)水槽另一端布設(shè)斜坡消浪網(wǎng)以減小反射波浪的影響。當(dāng)波浪傳播到最后一根波高儀時(shí)開始采樣，結(jié)果分析采用無波浪反射影響的數(shù)據(jù)段。所有儀器均在實(shí)驗(yàn)中多次使用，性能可靠。

圖4 波高儀布設(shè)示意圖（m）

圖5 水槽實(shí)驗(yàn)段布置圖

2 畸形波典型工況模擬

2.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

色散聚焦畸形波通過調(diào)制JONSWAP 譜組成波相位使得各組成波在水槽中定時(shí)定點(diǎn)聚焦，JONSWAP譜形式如下：

式中：A 為能量尺度參量；γ 為譜峰升高因子；f0為譜峰頻率，當(dāng)f ＞f0時(shí)，σ0＝0.09；f≤f0時(shí)，σ0＝0.07。其中，A能改變譜峰高度，γ能改變譜的寬度。

依據(jù)式（1），令N ＝32，xf＝22、tf＝50，各組成波的相位φi＝-kixf＋ωitf，聚焦位置和造波板處的波面分別為：

式中：η（x ＝xf，tf）為聚焦波面相對于靜水面的瞬時(shí)高度為第i個(gè)組成波的振幅；xf、tf分別為聚焦位置和聚焦時(shí)間。根據(jù)圖3 所示的自定義造波流程，可將波面生成對應(yīng)的造波機(jī)電壓信號。根據(jù)JONSWAP譜組成波色散關(guān)系得到的聚焦處的目標(biāo)波面及控制造波板運(yùn)動(dòng)的電壓信號如圖6 所示。此處波浪參數(shù)h ＝0.5 m，Tp＝1.5 s，Hs＝0.04 m。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

色散聚焦迭代前后的實(shí)測模擬波列與目標(biāo)波列對比如圖7 所示。初始模擬波列雖然出現(xiàn)了畸形波且Rc＝0.86，但畸形波出現(xiàn)時(shí)間與目標(biāo)波列存在相位差，此時(shí)的波面相關(guān)系數(shù)和波峰系數(shù)Rη＝0.85。經(jīng)過兩次迭代后波面相關(guān)系數(shù)Rη＝0.99，Rc＝0.98，可認(rèn)為畸形波復(fù)演成功。

圖6 色散聚焦目標(biāo)波面及電壓信號

圖7 迭代前后模擬波面與目標(biāo)波面對比圖

沿程波高儀的波面時(shí)序列如圖8 所示?？梢钥闯霾ǜ呦仍龃蠛鬁p小，波面在x ＝22 m 聚焦達(dá)到最大波高Hm＝0.094 m，符合Hm＞2Hs的畸形波定義，說明本文所提出的自定義造波方法可在物理水槽中有效地模擬出所需的目標(biāo)波面。

圖8 色散聚焦波面時(shí)序列

3 結(jié) 語

本文介紹了實(shí)驗(yàn)水槽中自定義造波方法，可在物理水槽中模擬出所需的目標(biāo)波面。根據(jù)該方法在實(shí)驗(yàn)水槽中成功重構(gòu)了符合畸形波定義的色散聚焦畸形波，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可為數(shù)值模擬提供驗(yàn)證數(shù)據(jù)。通過自定義造波實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)，學(xué)生可掌握造波機(jī)信號傳輸方式及其運(yùn)動(dòng)原理，有利于學(xué)生更好地理解和學(xué)習(xí)真實(shí)海洋中難以捕捉到的極端波浪現(xiàn)象。