CN107271140A - 一种在实验水槽指定位置处产生极端波浪的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是关于一种在实验水槽指定位置处产生极端波浪的方法，属于海洋工程及水动力实验研究技术领域。技术方案如下：根据实验室的水槽参数确定波浪参数，生成造波信号，将造波信号输入造波系统进行初始造波，判断波浪是否破碎，如果是，改变组成波的波幅和谱宽，重新确定波浪参数；如果没有破碎，则利用全相位傅里叶变换计算聚焦位置处的相位偏差，利用相位差修正造波信号，利用造波机生成波浪，判断聚焦位置处的相位调整是否收敛，如果不收敛，重新计算聚焦位置处的相位偏差；如果收敛，生成指定位置处的极端波浪。有益效果是：灵活控制水槽中极端波浪与结构模型的作用位置，精准地在水槽指定位置产生不同形态的极端波浪，提高了实验效率和精度。
Description
技术领域
本发明属于海洋工程及水动力实验研究技术领域，涉及一种实验水槽中指定位置处产生极端波浪的方法
背景技术
极端波浪是海面上突然出现的单个异常大波浪，它给人类的生活和生产活动带来了严重的危害。为了避免极端波浪对海上结构物的危害，我们可以在实验水槽中对极端波浪进行模拟，为海洋工程结构物的设计提供依据。水槽中模拟极端大浪对结构物的作用时，结构模型往往体积庞大，造价昂贵，不方便移动。所以，现在需要一种能够精准控制波浪聚焦位置的方法，在指定位置生成所需的不同形状的极端波浪，从而准确的模拟出极端大浪、崩破波浪、卷破破浪在不同作用位置下对结构物的影响。
在现有的相位聚焦生成极端波浪的方法中，由于波与波的非线性相互作用，波浪在传播过程中，色散关系发生了改变，各组成波的传播速度不再符合线性波浪理论。所以，在指定位置处，各组成波的相位和理论相位产生了偏差，波浪的聚焦位置和聚焦时间都发生了改变。此外，在现有的生成极端波浪的方法中，无法判断聚焦点上下游的波面状况，还有可能在传播过程中出现了提前破碎和二次破碎的情况，导致极端波浪生成的位置和预设位置有很大偏差，需要反复移动模型结构，造成了成本的浪费。
发明内容
为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供一种能够同时监测波浪聚焦过程的相位和波陡，反馈调节造波信号，在实验水槽指定位置处产生极端波浪的方法。技术方案如下：
一种在实验水槽指定位置处产生极端波浪的方法，步骤如下：
S1、根据实验室的水槽参数确定波浪参数；
S2、生成造波信号；
S3、将造波信号输入造波系统进行初始造波；
S4、判断波浪是否破碎；
S5、波浪如果破碎，改变组成波的波幅和谱宽，重新进入S1；波浪如果没有破碎，进入S6；
S6、利用全相位傅里叶变换计算聚焦位置处的相位偏差；
S7、利用相位差修正造波信号；
S8、利用造波系统生成波浪；
S9、判断聚焦位置处的相位调整是否收敛，如果不收敛，重新进入S6；如果收敛，进入S10；
S10、生成指定位置处的极端波浪。
进一步的，S2中生成造波信号的具体步骤为：
在自由水面上，将任意点处的波浪的波面Eta(x,t)表示为不同频率的规则波叠加的结果：
式中，Aj代表第j个组成波的波幅，kj代表第j个组成波的波数，ωj代表第j个组成波的频率，代表第j个组成波的初始相位；其中kj和ωj满足色散关系g表示当地的重力加速度，d表示水深；
在线性色散关系下，调整每个组成波的相位使每个组成波在聚焦位置和聚焦时刻满足此时聚焦点xp位置处，各组成波在聚焦时间tp时达到最大波幅，产生相位聚焦；
通过水槽参数确定聚焦位置和聚焦时间，聚焦位置xp需要满足其中Lw为水槽长度；聚焦时间需要满足其中fmax、kmax分别表示频率最高的组成波及其对应的波数，fmin、kmin分别表示频率最低的组成波及其对应的波数；
在给定的无量纲化频谱Sa(fj)和最大波陡S下，各组成波的波幅按下式计算：
在推板造波机下，造波板的传递函数如下：
式中，Tj表示组成波的振幅和其对应的造波板振幅之比，kj表示各组成波的波数，h表示水深；
将各组成波的振幅通过传递函数Tj的变换，得出造波板各频率的振幅，将造波板在各频率上的运动做叠加，得到造波机的初始造波信号：
进一步的，S3中所述造波系统由控制系统、动力系统和采集系统三部分组成，所述控制系统读取造波信号，将造波数字信号转化为驱动伺服电机的电信号；所述动力系统用于驱动伺服电机，带动造波板运动，在水槽中产生扰动，造出波浪；所述采集系统用于对波浪数据进行采集、滤波和放大。
进一步的，S4中判断波浪是否破碎的具体步骤为：
在聚焦点前等距离放置两个间隔为Δx的浪高仪，kmax为频率最大的组成波对应的线性色散关系下的波数；利用S2中生成的造波信号进行造波，通过浪高仪记录两位置处波面信号η(x1,t)和η(x2,t)，根据两位置处的波面信息计算实际的波陡；
x1位置处波面的相位角
x2位置处波面的相位角
组成波的在聚焦位置附近的实际波数Δx为两个浪高仪之间的距离，Δx＝x1-x2；Δφj为各组成波在两位置处的相位差，Δφj＝φ1j-φ2j；任意位置x0处任意时刻的波陡可以表示为：
任意位置x0处聚焦波传播过程中能达到的最大波陡：S0表示波浪发生破碎时的临界波陡；如果聚焦过程中任意位置x0处的最大波陡则波浪在聚焦前发生了破碎。
进一步的，S5中波浪如果破碎，降低各组成波的波幅aj或者增加谱宽Δf。
进一步的，其特征在于，S6中计算聚焦位置处的相位偏差具体步骤为：
采集初始造波时指定聚焦点的波面信号ηpold(t)，对波面信号进行全相位信号预处理，将波面信号进行数据分割、循环移位、加权叠加；处理后利用傅里叶变换的方法将波面时域的信号转化为频域上的分布，得出各频率所对应的实际相位角φrecord；
初始波浪和目标波浪的相位角差值，按下式计算：
Δφ＝φrecord-φtarget
其中Δφ是相位角差值，φtarget是目标波浪的相位角，φrecord是生成波浪的相位角。
进一步的，S7中利用相位差修正造波信号的具体步骤为:
利用相位角差值，计算新的控制信号的相位，φnew＝φold+Δφ；φold是原始控制信号的相位，φnew是新的造波控制信号的相位；
修正后的造波控制信号：
进一步的，S9具体步骤为：
利用S7修正后的造波信号，在水槽中进行造波，记录生成的波面信号为ηpnew(t)；
计算调整前的波面ηpold(t)和理论波面ηp(t)的相关系数correlold：
计算调整后的波面ηpnew(t)和理论波面ηp(t)的相关系数correlnew：
如果满足correlnew＞correlold，则表示聚焦位置的相位还未调整收敛；
如果满足correlnew≤correlold，则表示聚焦位置的相位已经调整收敛。
本发明的有益效果是：
1、本发明提出了一种在实验水槽中指定位置处产生极端波浪的方法，采用全相位分析方法得到聚焦位置处各组成波相位，对造波信号进行迭代调整，从而使各组成波在指定位置处达到精准的相位聚焦；根据物理实验验证发现在三次相位的迭代调整后，实际的相位偏差控制在0.15rad内，实验波面和理论波面的相关系数达到了0.95以上；本方法较好的解决了非线性色散关系带来的聚焦位置和聚焦时间偏差问题，精准的在指定位置生成了所需的聚焦波浪。
2、本方法通过预测聚焦过程中波面的最大波陡，判断聚焦过程中波浪的破碎情况，优化调整组成波谱宽和幅值，避免波浪发生提前破碎和二次破碎的状况，从而准确生成所需的极端波浪形态。运用本方法可以灵活控制水槽中极端波浪与结构模型的作用位置，精准地在水槽指定位置产生不同形态的极端波浪，从而减少了移动实验模型带来的成本，提高了实验效率和精度。
附图说明
图1是本发明整体流程示意框图；
图2是实验装置的布置图；
图3是各组成波波幅分布图；
图4是各组成波的造波板传递系数图；
图5是相位调整前波面实验值与理论值对比图；
图6是相位调整前实验值与理论值的相位差分布图；
图7是相位调整后波面实验值与理论值对比图；
图8是相位调整后实验值与理论值的相位差分布图；
图2中：1、推板式造波机；2、电容式浪高仪；3、试验水槽；4、消浪装置；5、浪高仪信号采集器；6、安装有造波系统和采集系统的计算机。
具体实施方式
实施例1：
一种在实验水槽指定位置处产生极端波浪的方法，包括以下步骤：
A、生成初始的造波信号并初始造波
根据实验室的水槽参数确定波浪参数，将相位聚焦的波浪，利用线性的色散关系，反向推算出造波机的运动过程，从而使组成波在指定位置达到相同的相位，叠加产生极端大浪。在自由水面上，将任意点处的波浪的波面Eta(x,t)表示为不同频率的规则波叠加的结果：
式中，Aj代表第j个组成波的波幅，kj代表第j个组成波的波数，ωj代表第j个组成波的频率，代表第j个组成波的初始相位。其中kj和ωj满足色散关系g表示当地的重力加速度，d表示水深。
在线性色散关系下，调整每个组成波的相位使每个组成波在聚焦位置和聚焦时刻满足此时聚焦点xp位置处，各组成波在聚焦时间tp时达到最大波幅，产生相位聚焦。
聚焦时间和聚焦位置通过水槽参数来确定。为了达到较好的聚焦效果，聚焦位置xp需要满足其中Lw为水槽长度。为了减少水槽反射的影响，聚焦时间需要满足其中fmax、kmax分别表示频率最高的组成波及其对应的波数，fmin、kmin分别表示频率最低的组成波及其对应的波数。
在给定的无量纲化频谱Sa(fj)和最大波陡S下，各组成波的波幅按下式计算：
在推板造波机下，造波板的传递函数如下：
式中，Tj表示组成波的振幅和其对应的造波板振幅之比，kj表示各组成波的波数，h表示水深。
将各组成波的振幅通过传递函数Tj的变换，得出造波板各频率的振幅，将造波板在各频率上的运动做叠加，得到造波机的初始造波信号：
将造波信号输入造波系统进行初始造波。实验室的造波系统由控制系统、动力系统和采集系统三部分组成。控制系统可以读取造波信号，将造波数字信号转化为驱动伺服电机的电信号；动力系统用于驱动伺服电机，带动造波板运动，在水槽中产生扰动，造出波浪；采集系统用于对波浪数据进行采集以及滤波、放大等工作。
通过以上步骤可以生成初始的造波信号并初始造波。
B、波浪破碎的判断和控制
为了防止在聚焦过程中局部波浪的波陡超过临界破碎条件而发生破碎，从而影响波浪在指定位置的聚焦效果，需要对聚焦位置的波面进行监测，控制聚焦过程中波面的局部最大波陡。为此，在聚焦点前等距离放置两个间隔为Δx的浪高仪，kmax为频率最大的组成波对应的线性色散关系下的波数。利用步骤A生成的造波信号进行造波，通过浪高仪记录两位置处波面信号η(x1,t)和η(x2,t)，根据两位置处的波面信息计算实际的波陡。
x1位置处波面的相位角
x2位置处波面的相位角
组成波的在聚焦位置附近的实际波数Δx为两个浪高仪之间的距离，Δx＝x1-x2；Δφj为各组成波在两位置处的相位差，Δφj＝φ1j-φ2j；
任意位置x0处任意时刻的波陡可以表示为：
任意位置x0处聚焦波传播过程中能达到的最大波陡
S0表示波浪发生破碎时的临界波陡。如果聚焦过程中任意位置x0处的最大波陡波浪在聚焦前可能发生破碎，此时需要优化初始波浪参数，比如增加谱宽Δf(Δf＝fmax-fmin)或者降低各组成波的波幅aj，从而避免在聚焦过程中波面发生破碎。
C、利用相位迭代修正技术，使波浪在指定位置精准聚焦
由于非线性的作用，聚焦位置处各组成波的相位和理论值产生了偏差。需要测量聚焦位置的相位偏差，调整造波机的造波信号，并对生成的波面信息进行调整结果的判断，迭代调整使波浪在指定位置精准聚焦；
C1、利用全相位傅里叶变换，分析聚焦位置的相位偏差，并调整造波信号
采集初始造波时指定聚焦点的波面信号ηpold(t)。对波面信号进行全相位信号预处理，将波面信号进行数据分割、循环移位、加权叠加。处理后利用傅里叶变换的方法将波面时域的信号转化为频域上的分布，得出各频率所对应的实际相位角φrecord。
初始波浪和目标波浪的相位角差值，按下式计算：
Δφ＝φrecord-φtarget
其中Δφ是相位角差值，φtarget是目标波浪的相位角，φrecord是生成波浪的相位角。
利用相位角差值，计算新的控制信号的相位，φnew＝φold+Δφ。φold是原始控制信号的相位，φnew是新的造波控制信号的相位。
修正后的造波控制信号：
利用修正后的造波信号，在水槽中进行造波，记录生成的波面信号为ηpnew(t)。
C2、相位调整的结果判断：
计算调整前的波面ηpold(t)和理论波面ηp(t)的相关系数correlold：
计算调整后的波面ηpnew(t)和理论波面ηp(t)的相关系数correlnew：
波面的相关系数代表着波面的实验值和理论值的吻合程度。如果满足correlnew＞correlold，则表示聚焦位置的相位还未调整收敛，重复步骤C1，进行相位调整；如果满足correlnew≤correlold，则表示聚焦位置的相位已经调整收敛，无需进行进一步的调整。此时可以实现指定位置处产生所需的极端波浪。
实施例2：
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施范例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施范例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
建立如图2所示的造波控制系统包括有：实验水槽、推板式造波机、消浪装置、浪高仪、浪高仪信号采集器、安装有造波系统和采集系统的计算机。其中，浪高仪和浪高仪采集器相连接；浪高仪信号采集器和计算机相连接；造波机和计算机相连接。
范例实验在大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室的piv水槽中进行。实验水槽长20m、宽0.45m、实验水深0.45m，造波方式为推板式造波，水槽中的末端布置有消浪装置，在实验水槽的3.5m、6.7m、6.8m、6.9m、7.0m、7.1m、7.2m、7.3m处布置有8个电容式浪高仪。实验组成波的频率范围f＝0.7hz 1.3hz，组成波的数量N＝64，采用等分频率法划分频率。聚焦位置xp＝7m，满足聚焦时间tp＝15s，满足
实验选取的波陡S＝0.24，各组成波的波幅按照Jonswap谱得出(见图3)，根据水深和频率计算得出各组成波所对应的造波板传递函数Cj(见图4)。利用上述参数得出造波板的初始造波信号X(t)，造波时间设为30s，将造波信号传入造波机的控制系统，控制造波板运动，在水槽中生成波浪。利用电容式浪高仪，测量初始的波面信息η(x,t)，采样频率50hz，采样时间为40s。
根据采集的波面信号，分析组成波的波幅和波数，计算得出聚焦位置上下游的最大波陡SMAX＝0.19，满足SMAX＜0.8S0，波浪在聚焦位置的上下游不会发生提前破碎和二次破碎的现象，可以进行下一步的相位迭代调整。
波浪在传播过程中，由于非线性的作用，聚焦时间和聚焦点产生了偏差，相位调整前聚焦位置处的波面时间历程线的实验值和理论值如图5所示；聚焦位置处的相位与线性值产生了偏差，聚焦位置处各组成波相位的实验值与理论值差值如图6所示；可以看出相位调整之前，波面实验值和理论值有较大的偏差，两者的相关系数为0.594，各组成波的相位值和理论值偏差较大，最大的相位角偏差为33.9°。
利用本方法分析出的聚焦位置处的波面相位差，进行造波信号的调整，并分析每次调整后，聚焦位置的相位和聚焦波面实验值与理论值的相关系数。经过三次迭代调整后，组成波的相位已经调整收敛，波面实验值和理论值的相关系数达到0.95以上，每次调整后组成波的实验室和理论值的相关系数见下表：
表1波面实验值和理论值得相关系数表
调整后聚焦位置的波面如图7所示，实验值和理论值的相位差如图8所示。可以看出调整后的波面和二阶理论波面吻合的比较好，波面的时间序列关于聚焦时刻前后对称，实验波面和理论波面的相关系数由0.594提升到了0.987；经过本方法调整后，聚焦位置的相位和理论值得最大偏差，由33.9°降低为3.7°，偏差降低了89.1％；本方法较好的解决了非线性色散关系带来的聚焦位置和聚焦时间偏差问题，精准的在指定位置生成了所需的聚焦波浪，从而减少了移动实验模型带来的成本，提高了实验效率和精度。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种在实验水槽指定位置处产生极端波浪的方法，其特征在于，步骤如下：
S1、根据实验室的水槽参数确定波浪参数；
S2、生成造波信号；
S3、将造波信号输入造波系统进行初始造波；
S4、判断波浪是否破碎；
S5、波浪如果破碎，改变组成波的波幅和谱宽，重新进入S1；波浪如果没有破碎，进入S6；
S6、利用全相位傅里叶变换计算聚焦位置处的相位偏差；
S7、利用相位差修正造波信号；
S8、利用造波系统生成波浪；
S9、判断聚焦位置处的相位调整是否收敛，如果不收敛，重新进入S6；如果收敛，进入S10；
S10、生成指定位置处的极端波浪。
2.如权利要求1所述的实验水槽指定位置处产生极端波浪的方法，其特征在于，S2中生成造波信号的具体步骤为：
在自由水面上，将任意点处的波浪的波面Eta(x,t)表示为不同频率的规则波叠加的结果：
式中，Aj代表第j个组成波的波幅，kj代表第j个组成波的波数，ωj代表第j个组成波的频率，代表第j个组成波的初始相位；其中kj和ωj满足色散关系g表示当地的重力加速度，d表示水深；
在线性色散关系下，调整每个组成波的相位使每个组成波在聚焦位置和聚焦时刻满足此时聚焦点xp位置处，各组成波在聚焦时间tp时达到最大波幅，产生相位聚焦；
通过水槽参数确定聚焦位置和聚焦时间，聚焦位置xp需要满足其中Lw为水槽长度；聚焦时间需要满足其中fmax、kmax分别表示频率最高的组成波及其对应的波数，fmin、kmin分别表示频率最低的组成波及其对应的波数；
在给定的无量纲化频谱Sa(fj)和最大波陡S下，各组成波的波幅按下式计算：
<mrow>
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在推板造波机下，造波板的传递函数如下：
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式中，Tj表示组成波的振幅和其对应的造波板振幅之比，kj表示各组成波的波数，h表示水深；
将各组成波的振幅通过传递函数Tj的变换，得出造波板各频率的振幅，将造波板在各频率上的运动做叠加，得到造波机的初始造波信号：
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3.如权利要求2所述的实验水槽指定位置处产生极端波浪的方法，其特征在于，S3中所述造波系统由控制系统、动力系统和采集系统三部分组成，所述控制系统读取造波信号，将造波数字信号转化为驱动伺服电机的电信号；所述动力系统用于驱动伺服电机，带动造波板运动，在水槽中产生扰动，造出波浪；所述采集系统用于对波浪数据进行采集、滤波和放大。
4.如权利要求3所述的实验水槽指定位置处产生极端波浪的方法，其特征在于，S4中判断波浪是否破碎的具体步骤为：
在聚焦点前等距离放置两个间隔为Δx的浪高仪，kmax为频率最大的组成波对应的线性色散关系下的波数；利用S2中生成的造波信号进行造波，通过浪高仪记录两位置处波面信号η(x1,t)和η(x2,t)，根据两位置处的波面信息计算实际的波陡；
x1位置处波面的相位角
x2位置处波面的相位角
组成波的在聚焦位置附近的实际波数Δx为两个浪高仪之间的距离，Δx＝x1-x2；Δφj为各组成波在两位置处的相位差，Δφj＝φ1j-φ2j；任意位置x0处任意时刻的波陡可以表示为：
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任意位置x0处聚焦波传播过程中能达到的最大波陡：S0表示波浪发生破碎时的临界波陡；如果聚焦过程中任意位置x0处的最大波陡则波浪在聚焦前发生了破碎。
5.如权利要求4所述的实验水槽指定位置处产生极端波浪的方法，其特征在于，S5中波浪如果破碎，降低各组成波的波幅aj或者增加谱宽Δf。
6.如权利要求5所述的实验水槽指定位置处产生极端波浪的方法，其特征在于，S6中计算聚焦位置处的相位偏差具体步骤为：
采集初始造波时指定聚焦点的波面信号ηpold(t)，对波面信号进行全相位信号预处理，将波面信号进行数据分割、循环移位、加权叠加；处理后利用傅里叶变换的方法将波面时域的信号转化为频域上的分布，得出各频率所对应的实际相位角φrecord；
初始波浪和目标波浪的相位角差值，按下式计算：
Δφ＝φrecord-φtarget
其中Δφ是相位角差值，φtarget是目标波浪的相位角，φrecord是生成波浪的相位角。
7.如权利要求6所述的实验水槽指定位置处产生极端波浪的方法，其特征在于，S7中利用相位差修正造波信号的具体步骤为:
利用相位角差值，计算新的控制信号的相位，φnew＝φold+Δφ；φold是原始控制信号的相位，φnew是新的造波控制信号的相位；
修正后的造波控制信号：
<mrow>
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<mi>X</mi>
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<mn>2</mn>
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<mo>+</mo>
<mi>&Delta;</mi>
<mi>&phi;</mi>
<mo>)</mo>
</mrow>
</mrow>
8.如权利要求7所述的实验水槽指定位置处产生极端波浪的方法，其特征在于，S9具体步骤为：
利用S7修正后的造波信号，在水槽中进行造波，记录生成的波面信号为ηpnew(t)；
计算调整前的波面ηpold(t)和理论波面ηp(t)的相关系数correlold：
<mrow>
<msub>
<mi>correl</mi>
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</mrow>
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</mrow>
</msqrt>
</mfrac>
</mrow>
计算调整后的波面ηpnew(t)和理论波面ηp(t)的相关系数correlnew：
<mrow>
<msub>
<mi>correl</mi>
<mrow>
<mi>n</mi>
<mi>e</mi>
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</msqrt>
</mfrac>
</mrow>
如果满足correlnew＞correlold，则表示聚焦位置的相位还未调整收敛；
如果满足correlnew≤correlold，则表示聚焦位置的相位已经调整收敛。
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