海洋工程試驗(yàn)中多單元造波機(jī)波浪模擬方法

1、海洋工程試驗(yàn)中多單元造波機(jī)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(hào):1005?9865(2011)03?0037?06 李?俊,陳?剛,楊建民,彭?濤 (上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海?200240) 摘?要:由若干獨(dú)立搖板組成的多單元造波機(jī)已經(jīng)成為實(shí)驗(yàn)室研究波浪及其與海洋工程結(jié)構(gòu)物相互作用的重要設(shè)備。介紹海洋深水池雙邊多單元造波機(jī)及其模擬波浪的方法,通過(guò)物理試驗(yàn)對(duì)所模擬的長(zhǎng)峰規(guī)則波、不規(guī)則波和三維短峰波進(jìn)行初步的試驗(yàn)研究。模擬波浪的時(shí)域和頻域分析結(jié)果表明利用雙邊多單元造波機(jī)能夠生成良

2、好的長(zhǎng)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(yàn)的要求。 關(guān)鍵詞:雙邊多單元造波機(jī);波浪模擬;長(zhǎng)峰波;三維短峰波 中圖分類號(hào):P751?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)風(fēng)、浪、流良好的物理模擬是研究各類海洋結(jié)構(gòu)物在其作用下水動(dòng)力性能的基本要求和手段。其中,對(duì)波浪的模擬是進(jìn)行海洋工程結(jié)構(gòu)物模型試驗(yàn)的首要條件,波浪模擬的正確與否將直接影響試驗(yàn)結(jié)果的正確性和可靠性。 海洋工程水池通常所用的造波設(shè)備有搖板式造波機(jī)、推板式造波機(jī)等。目前使用較為普遍的是搖板式造波機(jī),搖板式造波機(jī)采用液壓或電力驅(qū)動(dòng)方式,通過(guò)伺服電機(jī)控制搖板繞固定軸往復(fù)擺動(dòng),使水池中的水產(chǎn)生波動(dòng),波高由搖板的運(yùn)動(dòng)幅度決定,波浪周期由搖板的擺動(dòng)頻率確定。 長(zhǎng)期以來(lái),海洋

6、工程界主要采用長(zhǎng)峰規(guī)則波浪、不規(guī)則波浪對(duì)海浪及其與海洋工程結(jié)構(gòu)物的相互作用進(jìn)行理論研究和模型試驗(yàn),長(zhǎng)峰波在海洋工程結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)、建造和安全運(yùn)營(yíng)等方面發(fā)揮了重要的作用。但是,實(shí)際海上的風(fēng)生波并非只沿某個(gè)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(yùn)動(dòng)及其與海洋工程結(jié)構(gòu)物的相互作用,通過(guò)物理方法在海洋工程水池實(shí)現(xiàn)對(duì)三維短峰波的模擬及其分析是非常必要的。國(guó)外開(kāi)展的一些模型試驗(yàn)表明,海洋工程 收稿日期:2010?09?20 基金項(xiàng)目:國(guó)家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2008ZX05030?005?10);海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室自主研究課題資助項(xiàng)

7、目(AE010814) 作者簡(jiǎn)介:李?俊(1977?),男,陜西咸陽(yáng)人,工程師,主要從事海洋工程水動(dòng)力學(xué)研究。E?mail: 38海?洋?工?程第29卷結(jié)構(gòu)物在三維短峰波中的水動(dòng)力性能與在長(zhǎng)峰波試驗(yàn)中的結(jié)果差異較大1。為使海洋工程設(shè)計(jì)更為經(jīng)濟(jì)、合理、可靠,在實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)三維短峰波的物理模擬并開(kāi)展其對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物作用的試驗(yàn)和研究成為重要的課題。 目前,多單元造波機(jī)成為海洋工程水池實(shí)現(xiàn)短峰波模擬的最主要設(shè)備,荷蘭MARIN和美國(guó)OTRC等海洋工程水池均配備了多單元造波機(jī)。上海交通大學(xué)海洋工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室海洋深水池配備了由荷蘭引進(jìn)的雙邊多單元造波機(jī),為我國(guó)開(kāi)

8、展各類深水海洋結(jié)構(gòu)物模型試驗(yàn)、水動(dòng)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(jī)概述 上海交通大學(xué)海洋深水池具備模擬4000m水深的深海工程試驗(yàn)?zāi)芰?深水試驗(yàn)池由水池主體和一個(gè)深井組成,可以模擬風(fēng)、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(zhǎng)?寬?深);水深可在010m范圍內(nèi)任意調(diào)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(jìn)的電力驅(qū)動(dòng)多單元造波機(jī)。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(zhǎng)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(jī)驅(qū)動(dòng),均可獨(dú)立造波。在兩組多單元造波機(jī)的對(duì)岸均設(shè)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(jī)布置示意圖。 雙邊多單元造波機(jī)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(jī)實(shí)際最大造波能力要通過(guò)水池波浪試驗(yàn)進(jìn)行測(cè)定。 圖1?海洋深水池及造波機(jī)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(jī)模擬波浪的方法 2.1?長(zhǎng)峰波浪模擬 多單元造波機(jī)在模擬0?和90?(圖1所示坐標(biāo)系,波向角為與y軸夾角)長(zhǎng)峰波浪時(shí),模擬方法和單搖板造波機(jī)相同,短邊或長(zhǎng)邊的單元搖板分別以相同的搖擺幅度、頻率和相位同時(shí)運(yùn)動(dòng)。 模擬斜向規(guī)則波和不規(guī)則波時(shí),雙邊多單元造波機(jī)垂直兩邊的搖板將同時(shí)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)波浪模擬。 2.1.1?規(guī)則波浪模擬 規(guī)則波波面可寫(xiě)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(shè)雙邊多單元造波機(jī)的傳遞函數(shù)為T(?,?),則造

11、斜向規(guī)則波的驅(qū)動(dòng)時(shí)歷信號(hào)2: ?(x,y,t)=cos(?t-k(xsin?+ycos?),?(0?<?<90?)(2)T(?,?) ?在圖3所示坐標(biāo)系中,對(duì)于短邊造波單元,式(2)中y=0,以第100塊單元搖板中點(diǎn)作為短邊造波機(jī)的原點(diǎn)( 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(hào),b為搖板寬。 對(duì)于長(zhǎng)邊造波單元,式(2)中x=0。由于要避免搖板運(yùn)動(dòng)的干擾,長(zhǎng)邊造波機(jī)在長(zhǎng)、 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(diǎn)作為長(zhǎng)邊造波機(jī)的原點(diǎn),將長(zhǎng)邊造波

12、機(jī)各搖板中點(diǎn)坐標(biāo)代入式(2),則長(zhǎng)邊各搖板的造波信號(hào): ?(ib,n?t)=cos(n?t-k(i-99) T(?,90?-?)bcos?),(i=101,102,?,222) 式中:i為長(zhǎng)邊各單元搖板板號(hào)。 (4) 按照式(3)和式(4)制作驅(qū)動(dòng)時(shí)歷信號(hào),在海洋深水池對(duì)多個(gè)波向角的規(guī)則波進(jìn)行了物理模擬,在深水池中央布置有電容式浪高儀對(duì)模擬波浪進(jìn)行采集,表1為模擬結(jié)果的統(tǒng)計(jì)值。由表1可知,三個(gè)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(guò)造波系統(tǒng)的沖程進(jìn)行調(diào)解以達(dá)到目標(biāo)值要求,從結(jié)果看,雙邊多單元造波機(jī)能夠很好地按照周期和波高的要求對(duì)規(guī)則波進(jìn)行物理模擬。 表1?規(guī)則波模擬結(jié)

13、果 Tab.1?Comparisonofthemeasuredandtargetregularwaves 規(guī)則波波向 周期/s 目標(biāo)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(cè)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(biāo)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(cè)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(jī)模擬斜向長(zhǎng)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(gè)組成波的振幅、 按照上述模擬規(guī)則波的方法,可寫(xiě)出雙邊多單元造波機(jī)模擬斜向不規(guī)則波浪的搖板驅(qū)動(dòng)時(shí)歷信號(hào): 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(qū)動(dòng)時(shí)歷信號(hào),在海洋深水池對(duì)三個(gè)波向角的不規(guī)則波進(jìn)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(gè)波浪采集35000點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行譜分析。在波浪模擬過(guò)程中,為獲得好的結(jié)果,分別對(duì)每個(gè)波浪針 對(duì)波譜進(jìn)行了23次的修正。表2為模擬統(tǒng)計(jì)結(jié)果,圖4為模擬波浪的譜分析結(jié)果。 表2?不規(guī)則波模擬統(tǒng)計(jì)結(jié)

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

18、9 /%-1.851-2.056-1.684 ?從上述模擬結(jié)果看,三個(gè)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(cè)量譜和目標(biāo)譜符合良好,結(jié)果能夠完全滿足工程試驗(yàn)對(duì)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(jié)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(dá)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(duì)三維短峰波進(jìn)行物理模擬,單疊代模型的波面可寫(xiě)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(nèi)均布;?m為組成波初相位,在0,2?m為組 將G(?,?)看作一個(gè)概率密度函數(shù),其累積概率: P(?)=?G(?,?)d?m min?0?P(?)?1(10) 對(duì)于頻率?m的傳播方向可隨機(jī)選擇,其分布滿足G(?,?)

20、。對(duì)于每一個(gè)?m,均勻隨機(jī)地選取P(?m)即可確定式(9)中?m所對(duì)應(yīng)的方向角?m。 雙邊多單元造波機(jī)在制造三維短峰波時(shí),各單元造波板是一個(gè)獨(dú)立的造波機(jī),以式(9)描述的短峰波波面為準(zhǔn),結(jié)合式(3)、式(4)和式(6),在已知造波機(jī)傳遞函數(shù)情況下,各單元造波板的驅(qū)動(dòng)時(shí)歷信號(hào):?(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(jī)在海洋

21、深水池對(duì)三維短峰波進(jìn)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?yàn)?80 ?,波浪頻譜選擇雙參數(shù)PM譜。具體波浪參數(shù)見(jiàn)表3。短峰波在模擬過(guò)程中,針對(duì)頻譜及方向分布函數(shù)對(duì)所模擬波浪進(jìn)行了修正。 表3?三維短峰波浪目標(biāo)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(gè)電容式浪高儀組成的矩陣對(duì)所模擬的波浪進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。四個(gè)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(shí)間為13min,采樣頻率40Hz,在造波開(kāi)始后90s開(kāi)始采集數(shù)據(jù)。方向譜采用擴(kuò)展的最大似然法進(jìn)行分析。 分析結(jié)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(biāo)譜符合較好,時(shí)域統(tǒng)計(jì)值滿足目標(biāo)值要求,各頻率平均波向與目標(biāo)方向基本一致。 圖5?波譜模擬結(jié)果 Fig.5?Thecomparisonofthegeneratedandthetargetwavespectra 圖6?方向分布函數(shù) Fig.6?Distr