海洋工程試驗中多單元造波機波浪模擬方法

1、海洋工程試驗中多單元造波機波浪模擬方法 第29卷第3期 2011年8月海洋工程 THEOCEANENGINEERINGVol.29No.3Aug.2011 ?文章編號:1005?9865(2011)03?0037?06 李?俊,陳?剛,楊建民,彭?濤 (上海交通大學海洋工程國家重點實驗室,上海?200240) 摘?要:由若干獨立搖板組成的多單元造波機已經(jīng)成為實驗室研究波浪及其與海洋工程結構物相互作用的重要設備。介紹海洋深水池雙邊多單元造波機及其模擬波浪的方法,通過物理試驗對所模擬的長峰規(guī)則波、不規(guī)則波和三維短峰波進行初步的試驗研究。模擬波浪的時域和頻域分析結果表明利用雙邊多單元造波機能夠生成良

2、好的長峰波浪和三維短峰波浪,所模擬的波浪能夠滿足海洋工程試驗的要求。 關鍵詞:雙邊多單元造波機;波浪模擬;長峰波;三維短峰波 中圖分類號:P751?文獻標識碼:A Simulationmethodofwavegeneratedbytwo?sidedsegmentedwavemakers indeepoceanbasin LIJun,CHENGang,YANGJian?min,PENGTao (StateKeyLaboratoryofOceanEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China) Abstract:Segment

3、edwavemakerswhichconsistofnumerousindividuallyprogrammedpaddleshavebecomeimportantinthestudyofwaveanditsinteractionwithoceanengineeringstructuresinoceanbasin.Thepaperintroducesthetwo?sidedsegmentedwavemakersandtheirwavesim?ulationmethods.Thepreliminaryexperimentalinvestigationonthelong?crestedregula

4、rwaves,irregularwavesand3Dshort?crestedwaveswasconductedthroughmodeltests.Theresultsintime?domainandfrequency?domainshowthatthetwo?sidedsegmentedwavemakerscansimulatelong?crestedwavesandshort?crestedwaveswell,whichcansatisfytherequirementsofoceanengineeringexperiments. Keywords:two?sidedsegmentedwav

5、emakers;wavesimulation;long?crestedwave;3Dshort?crestedwave 在海洋工程水池實現(xiàn)對風、浪、流良好的物理模擬是研究各類海洋結構物在其作用下水動力性能的基本要求和手段。其中,對波浪的模擬是進行海洋工程結構物模型試驗的首要條件,波浪模擬的正確與否將直接影響試驗結果的正確性和可靠性。 海洋工程水池通常所用的造波設備有搖板式造波機、推板式造波機等。目前使用較為普遍的是搖板式造波機,搖板式造波機采用液壓或電力驅動方式,通過伺服電機控制搖板繞固定軸往復擺動,使水池中的水產(chǎn)生波動,波高由搖板的運動幅度決定,波浪周期由搖板的擺動頻率確定。 長期以來,海洋

6、工程界主要采用長峰規(guī)則波浪、不規(guī)則波浪對海浪及其與海洋工程結構物的相互作用進行理論研究和模型試驗,長峰波在海洋工程結構物的設計、建造和安全運營等方面發(fā)揮了重要的作用。但是,實際海上的風生波并非只沿某個方向傳播,波能不僅分布在不同頻率上,而且分布在不同方向上。因此,頻譜不足以描述海浪的特性,為了更好地研究海浪運動及其與海洋工程結構物的相互作用,通過物理方法在海洋工程水池實現(xiàn)對三維短峰波的模擬及其分析是非常必要的。國外開展的一些模型試驗表明,海洋工程 收稿日期:2010?09?20 基金項目:國家科技重大專項資助項目(2008ZX05030?005?10);海洋工程國家重點實驗室自主研究課題資助項

7、目(AE010814) 作者簡介:李?俊(1977?),男,陜西咸陽人,工程師,主要從事海洋工程水動力學研究。E?mail: 38海?洋?工?程第29卷結構物在三維短峰波中的水動力性能與在長峰波試驗中的結果差異較大1。為使海洋工程設計更為經(jīng)濟、合理、可靠,在實驗室中實現(xiàn)三維短峰波的物理模擬并開展其對海洋結構物作用的試驗和研究成為重要的課題。 目前,多單元造波機成為海洋工程水池實現(xiàn)短峰波模擬的最主要設備,荷蘭MARIN和美國OTRC等海洋工程水池均配備了多單元造波機。上海交通大學海洋工程國家重點實驗室海洋深水池配備了由荷蘭引進的雙邊多單元造波機,為我國開

8、展各類深水海洋結構物模型試驗、水動力研究以及波浪理論研究等提供了便利的條件。 1?海洋深水池和雙邊多單元造波機概述 上海交通大學海洋深水池具備模擬4000m水深的深海工程試驗能力,深水試驗池由水池主體和一個深井組成,可以模擬風、浪、流等各種海洋環(huán)境。水池主體有效工作尺寸為50m?40m?10m(長?寬?深);水深可在010m范圍內任意調節(jié)。水池深井最大工作水深40m、直徑5m。 造波系統(tǒng)是由荷蘭Rexroth(BoschGroup)公司引進的電力驅動多單元造波機。該系統(tǒng)由222塊單元搖板組成,分兩組布置在水池相鄰垂直兩邊,其中,長邊122塊搖板,短邊100塊搖板,每塊搖板寬0.4m,相鄰搖板之

9、間有4mm的間隙,搖板在水線下高度為1.2m,各搖板由各自的伺服電機驅動,均可獨立造波。在兩組多單元造波機的對岸均設有消波灘用以防止產(chǎn)生反射波。圖1為海洋深水池及造波機布置示意圖。 雙邊多單元造波機最大造波能力:規(guī)則波最大波高0.5m,不規(guī)則波最大有義波高0.3m。圖2為在波 浪不破碎情況下系統(tǒng)理論最大造波能力曲線。造波機實際最大造波能力要通過水池波浪試驗進行測定。 圖1?海洋深水池及造波機布置示意 Fig.1?Deepoceaneng.basin&segmentedwave generator圖2?系統(tǒng)最大造波能力曲線(理論值)Fig.2?Theoreticalwaveperform

10、ance ?2?雙邊多單元造波機模擬波浪的方法 2.1?長峰波浪模擬 多單元造波機在模擬0?和90?(圖1所示坐標系,波向角為與y軸夾角)長峰波浪時,模擬方法和單搖板造波機相同,短邊或長邊的單元搖板分別以相同的搖擺幅度、頻率和相位同時運動。 模擬斜向規(guī)則波和不規(guī)則波時,雙邊多單元造波機垂直兩邊的搖板將同時運動實現(xiàn)波浪模擬。 2.1.1?規(guī)則波浪模擬 規(guī)則波波面可寫成: ?(x,y,t)=acos(?t-k(xsin?+ycos?)(1) 式中:a為規(guī)則波波幅,?為規(guī)則波圓頻率,k為波數(shù),?為波浪傳播方向與y軸夾角(0?<?<90?)。設雙邊多單元造波機的傳遞函數(shù)為T(?,?),則造

11、斜向規(guī)則波的驅動時歷信號2: ?(x,y,t)=cos(?t-k(xsin?+ycos?),?(0?<?<90?)(2)T(?,?) ?在圖3所示坐標系中,對于短邊造波單元,式(2)中y=0,以第100塊單元搖板中點作為短邊造波機的原點( 39(3) ?(101-j)b,n?t)= cos(n?t-k(j-1)bsin?),?(j=1,2,?,100) T(?,?) 式中:j為短邊各單元搖板板號,b為搖板寬。 對于長邊造波單元,式(2)中x=0。由于要避免搖板運動的干擾,長邊造波機在長、 短邊相鄰處少安裝兩塊搖板代之以水泥墻,以第101塊單元搖板中點作為長邊造波機的原點,將長邊造波

12、機各搖板中點坐標代入式(2),則長邊各搖板的造波信號: ?(ib,n?t)=cos(n?t-k(i-99) T(?,90?-?)bcos?),(i=101,102,?,222) 式中:i為長邊各單元搖板板號。 (4) 按照式(3)和式(4)制作驅動時歷信號,在海洋深水池對多個波向角的規(guī)則波進行了物理模擬,在深水池中央布置有電容式浪高儀對模擬波浪進行采集,表1為模擬結果的統(tǒng)計值。由表1可知,三個方向規(guī)則波周期誤差(以?T/T表示)最大值均小于1%,而波高可通過造波系統(tǒng)的沖程進行調解以達到目標值要求,從結果看,雙邊多單元造波機能夠很好地按照周期和波高的要求對規(guī)則波進行物理模擬。 表1?規(guī)則波模擬結

13、果 Tab.1?Comparisonofthemeasuredandtargetregularwaves 規(guī)則波波向 周期/s 目標值0.721.131.351.611.831.972.162.282.540.721.131.351.611.831.972.162.282.540.721.131.351.611.831.972.162.28測量值0.7211.1381.3501.6191.8331.9682.1612.2842.5400.7221.1371.3501.6181.8261.9682.1592.2822.5410.7201.1401.3451.6181.8261.9722.1662

14、.281目標值2.05.07.18.08.08.08.08.08.02.05.07.18.08.08.08.08.08.02.05.07.18.08.08.08.08.0波高/cm 測量值2.0425.0157.0707.9278.0888.0257.9047.9198.1421.9234.9477.0737.9818.1697.8507.8588.0788.0571.9834.8437.1937.9548.0798.0777.9358.011 圖3?雙邊多單元造波機模擬斜向長峰波示意Fig.3?Diagramofobliquelong?crestedwavegeneratedby two?s

15、idedsegmentedwavemakers 0? 45? 90? 40 2.1.2?不規(guī)則波浪模擬 海?洋?工?程第29卷 不規(guī)則波浪可看成由若干振幅、頻率和相位各不相同的規(guī)則波疊加而成: ?(x,y,t)= m=1 ?amcos(?mt- M km(xsin?+ycos?)+?)m),?(0?<?<90(5) 式中:am、?m、km和?圓頻率、波數(shù)和初相位。m分別為第m個組成波的振幅、 按照上述模擬規(guī)則波的方法,可寫出雙邊多單元造波機模擬斜向不規(guī)則波浪的搖板驅動時歷信號: M am ?(101-j)b,n?t)=?T(?,?m),?(j=1,?,100)cos(n?m?t-k

16、m(j-1)bsin?+?mm=1 am?(ib,n?t)=?cos(n?m?t-km(i-99)bcos?+?m),?(i=101,?,222)m,90?-?m=1T(? M (6) 按照式(6)制作驅動時歷信號,在海洋深水池對三個波向角的不規(guī)則波進行了物理模擬,電容式浪高儀布置在水池中央。波浪選擇JONSWAP譜,有義波高Hs=17.25cm,譜峰周期Tp=2s,譜峰參數(shù)?=1.6。采樣頻率20Hz,每個波浪采集35000點數(shù)據(jù)進行譜分析。在波浪模擬過程中,為獲得好的結果,分別對每個波浪針 對波譜進行了23次的修正。表2為模擬統(tǒng)計結果,圖4為模擬波浪的譜分析結果。 表2?不規(guī)則波模擬統(tǒng)計結

17、果 Tab.2?Comparisonofthemeasuredandtargetirregularwaves有義波高Hs 波向角 目標值/cm 0?45?90? 17.25017.25017.250 測量值誤差(?Hs/Hs)/cm17.06017.04017.080 /%-1.101-1.217-0.986 目標值/s2.0002.0002.000 譜峰周期Tp 測量值 誤差(?Tp/Tp)/s1.9842.0302.030 /%-0.8001.5001.500 目標值/cm218.53118.53118.531 方差Mo 測量值誤差(?Mo/Mo)/cm218.18818.15018.21

18、9 /%-1.851-2.056-1.684 ?從上述模擬結果看,三個方向的不規(guī)則波浪有義波高最大誤差為?1.217%,譜峰周期最大誤差為1.5%,方差最大誤差為?2.056%。模擬波浪的測量譜和目標譜符合良好,結果能夠完全滿足工程試驗對波浪環(huán)境條件的模擬要求。 圖4?在不同波向角下不規(guī)則波浪譜分析結果 Fig.4?Thecomparisonofthegeneratedandthetargetwavefrequencyspectra 2.2?三維短峰波浪模擬 方向譜可由波浪頻譜與方向分布函數(shù)的乘積表達3?5: S(?,?)=S(?)?G(?,?)(7) 式中:S(?)為波浪頻譜,即工程中常用的

19、波譜,如JONSWAP譜、PM譜等;G(?,?)為方向分布函數(shù),方向分布函數(shù)必須滿足以下條件: ?G(?,?)= max ? ?min 1(8) ?采用單疊代模型對三維短峰波進行物理模擬,單疊代模型的波面可寫為 ?(x,y,t)= 式中:am為各組成波的振幅,am=m=1 ?amcos(?mt- N km(xsin?m+ycos?m)+?m)(9) S(?m)?m;km為波數(shù);?內均布;?m為組成波初相位,在0,2?m為組 將G(?,?)看作一個概率密度函數(shù),其累積概率: P(?)=?G(?,?)d?m min?0?P(?)?1(10) 對于頻率?m的傳播方向可隨機選擇,其分布滿足G(?,?)

20、。對于每一個?m,均勻隨機地選取P(?m)即可確定式(9)中?m所對應的方向角?m。 雙邊多單元造波機在制造三維短峰波時,各單元造波板是一個獨立的造波機,以式(9)描述的短峰波波面為準,結合式(3)、式(4)和式(6),在已知造波機傳遞函數(shù)情況下,各單元造波板的驅動時歷信號:?(101-j)b,n?t)= Mamcos(n?m?t-km(j-1)bsin?m+?m),(j=1,?,100)?m,?m)m=1T(?Mam?(ib,n?t)=?cos(n?m?t-km(i-99)bcos?m+?m),(i=101,?,222)m,(90?-?m)m=1T(?(11) ? 利用雙邊多單元造波機在海洋

21、深水池對三維短峰波進行了物理模擬。采用單疊代模型,方向分布函數(shù)選擇cos25(?/2)分布,方向分布參數(shù)s選擇10,主波向為180 ?,波浪頻譜選擇雙參數(shù)PM譜。具體波浪參數(shù)見表3。短峰波在模擬過程中,針對頻譜及方向分布函數(shù)對所模擬波浪進行了修正。 表3?三維短峰波浪目標譜參數(shù) Tab.3 ?Parametersof3Dshort?crestedwave 波?譜 雙參數(shù)PM譜方向參數(shù)s10有義波高/m0.13譜峰周期/s1.6主波向/?180 ?用由四個電容式浪高儀組成的矩陣對所模擬的波浪進行數(shù)據(jù)采集。四個浪高儀成方陣布置,相鄰浪高儀間距25cm,浪高儀矩陣中心在(24m,26m)處,模擬時間為13min,采樣頻率40Hz,在造波開始后90s開始采集數(shù)據(jù)。方向譜采用擴展的最大似然法進行分析。 分析結果得到:有義波高12.72cm,譜峰周期1.63s。圖5圖7分別為分析得到的方向譜和二維波譜、方向分布函數(shù)及平均波向。所模擬短峰波、頻譜與目標譜符合較好,時域統(tǒng)計值滿足目標值要求,各頻率平均波向與目標方向基本一致。 圖5?波譜模擬結果 Fig.5?Thecomparisonofthegeneratedandthetargetwavespectra 圖6?方向分布函數(shù) Fig.6?Distr