CN107421716A - 水位变化下的波浪物理模型试验无间断造波装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水位变化下的波浪物理模型试验无间断造波装置，包括试验系统、水位控制系统、稳水系统和监测系统，水位控制系统包括水库、双向可逆水泵及流量控制器，在水库和试验水池之间设有双向可逆水泵，双向可逆水泵设有流量控制器，流量控制器根据水位传感器采集得到的水深数据信号调节双向可逆泵流量控制参数，稳水系统包括稳水池，稳水池的底部与试验水池的底部采用连通涵管连接，监测系统包括波浪传感器和水位传感器，波浪传感器布置在造波机的前方，水位传感器布置在稳水池中，造波信号控制器根据水位传感器采集得到的水深数据信号确定输出信号。本发明还公开了上述装置的造波方法。本发明能够制造水位实时变化下的波浪连续传播过程。

Description

水位变化下的波浪物理模型试验无间断造波装置及方法

技术领域

本发明涉及海岸工程物理模型试验技术，特别涉及一种水位变化下的波浪物理模型试验无间断造波装置及方法。

背景技术

在海岸工程建设中，波浪对建筑物的作用直接控制了结构的稳定性，对结构安全具有显著的影响，同时在波浪的强烈掀动作用下，海床泥沙亦将起悬，造成海床地形的冲淤变化，亦会对航道、港池等水域内造成泥沙淤积。因此，如何合理地模拟波浪的传播效应，是海岸工程科学研究中的重点课题，也是海岸工程规划和设计中的重要依据。

在天然海洋中，受天体引潮力的作用，会造成潮汐水位的周期性变动，是一个连续变化的过程。此外，在遭遇风暴潮(台风、寒潮等)恶劣气象环境时，在风力和气压变化的作用下，海平面将产生明显的增水和减水现象，导致近岸水位大幅壅高或下跌。因此，在天然海岸环境中，波浪的作用叠加于水位的变化之上。从物理本质上来讲，波浪传播和水位变化(包括潮汐、风暴潮增减水)是一个实时耦合的过程。

在当前对波浪传播的试验模拟技术中，数学模型试验和物理模型试验为两个主要流派，其各自具有优势和不足。波浪数学模型试验通过求解波浪运动控制方程，可同时综合考虑风、水位等多种要素的实时耦合及变化过程，然而受限于理论的不成熟，在近岸水域波浪的非线性效应的描述方面存在一定不足；波浪物理模型试验采用实际水体，模拟环境更贴近现场，无需引入理论假设，可真实还原波浪浅水变形、折射、绕射和反射等关键物理机制，从而模拟精度在近岸区域精度较数学模型更高，在海岸工程科学研究中发挥了重要作用。

然而，在当前波浪物理模型试验技术中，在试验环境的设定上仅能采用“静态式”，即设定一个固定水位(例如极端高水位、设计高水位、平均水位、设计低水位、极端低水位等)，并考量在这一水位条件下的波浪传播，而并不能叠加考虑水位的实时变化，从而无法反映在一个典型潮汐周期或一场风暴潮增减水环境下的波浪连续传播过程。在评价结构物在某种“极端条件下”的瞬时稳定性方面，采用这种方法尚可接受。但是，在评价海床冲淤的模拟中，由于泥沙运动同时与潮位、潮流和波浪均有关，特别是在研究航道内泥沙淤积、防波堤坡脚冲刷等对象方面，一场风暴潮(台风或寒潮)过程下的泥沙运动往往起到控制作用，而风暴潮过程中的水位是时刻变动的，且一般变幅较大，在某些海区的增水值甚至可超过2m以上(例如莱州湾区域)。在这种条件下，仅对水位采用“静态式”的假设条件则并不合理，仅能加以概化评价，例如将一场风暴潮实际过程概化为“某一高水位下波浪连续作用12小时”。显然，这种概化方法与实际条件差异较大，是当前波浪物理模拟技术中的瓶颈问题。

基于以上背景，当前亟待寻求一种可考虑水位实时变化的无间断造波装置与对应造波方法。在常规的波浪物理模型中，无法实现水位变动条件下造波的关键问题有二：(1)在造波过程中，由于波浪的振荡，将造成水面始终出现波纹，无法精确测量背景水位；(2)造波信号控制系统仅能在设定的参数环境下进行造波，未能实现造波信号随水深的实时变化与修正。

发明内容

本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种水位变化下的波浪物理模型试验无间断造波装置及方法，该装置及方法能够制造水位实时变化下的波浪连续传播过程。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的一个技术方案是：一种水位变化下的波浪物理模型试验无间断造波装置，包括试验系统，所述试验系统包括试验水池、造波机和造波信号控制器，所述造波机由所述造波信号控制器控制并安装在所述试验水池内，该造波装置还包括水位控制系统、稳水系统和监测系统，所述水位控制系统包括水库、双向可逆水泵及流量控制器，在所述水库和所述试验水池之间设有所述双向可逆水泵，所述双向可逆水泵设有所述流量控制器，所述流量控制器根据水位传感器采集得到的水深数据信号调节双向可逆水泵流量控制参数，所述稳水系统包括稳水池，所述稳水池的底部与所述试验水池的底部采用连通涵管连接，所述监测系统包括波浪传感器和所述水位传感器，所述波浪传感器布置在所述造波机的前方，所述水位传感器布置在所述稳水池中，所述造波信号控制器根据所述水位传感器采集得到的水深数据信号确定输出信号。

在所述稳水池内设有与所述连通涵管垂直的分隔墙，所述水位传感器设置在所述分隔墙的后方。

在所述连通涵管的管壁内侧设有加糙结构。

本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的另一个技术方案是：一种如上述水位变化下的波浪物理模型试验无间断造波装置采用的造波方法，包括以下步骤：

1)根据模型试验要求设计波浪物理模型，并确定模型的水平比尺、垂向比尺和时间比尺；

2)根据现场实测或数学模型试验资料，获取对应造波机前波高传感器位置处的原型水深、原型波高和原型波周期历时过程数据，并将其按步骤1)中的水平比尺、垂向比尺和时间比尺转换成对应的模型设计水深、模型设计波高、模型设计波周期历时过程数据；

3)按固定时间间隔，将步骤2)中的模型设计水深、模型设计波高、模型设计波周期历时过程的时长均拆分为N个特征时刻，按出现时间的先后顺序分别定义为T_i(i＝1～N)，并给出每个特征时刻T_i所对应的模型设计水深D_i(i＝1～N)、模型设计波高H_i(i＝1～N)和模型设计波周期P_i(i＝1～N)；

4)令试验水池和稳水池保持静水环境，并开启双向可逆水泵，通过注入或抽出水体的方式，使得试验水池和稳水池内的水深发生变化，流量控制器根据水位传感器采集得到的水深数据信号调节双向可逆水泵的流量控制参数，并最终使得试验水池内水深在特征时刻T_i(i＝1～N)等于模型设计水深D_i(i＝1～N)，记录该过程双向可逆水泵的流量控制参数，并确定其为模型水位连续变动控制参数；

5)启动双向可逆泵，使流量控制器采用步骤4)中得到的模型水位连续变动控制参数控制双向可逆水泵的流量，当时间到达第一个特征时刻T₁时，开始启动造波机，并将水位传感器采集得到的水深数据信号实时传输至造波信号控制器中，当水位传感器的实测水深达到模型设计水深范围时，造波信号控制器调取对应水深下的模型设计波高和模型设计波周期，作为造波波高和造波波周期，输入造波控制程序，使造波机开始造波，直至最后一个特征时刻T_N时，试验完毕。

在步骤5)中，所述水位传感器采集得到的水深数据信号按设定的时间间隔传输至造波信号控制器中，当传输至造波信号控制器中的水深数据信号所对应的模型历时时刻T不等于任一特征时刻T_i时，则根据时刻T所处的具体时刻，按相邻两个特征时刻所对应的模型设计波高、模型设计波周期以线性内插法得到造波波高和波周期。

本发明具有的优点和积极效果是：通过建立水位控制系统、稳水系统和监测系统，配合一种信号联合传输的造波方法，解决了当前在波浪物理模拟技术中仅能针对固定水深条件下开展造波的弊端，同时也解决了由于波浪自由表面振荡导致难以精确评价水位信息的难题。本发明拓展了波浪物理模拟技术的适用范围，使试验环境更加切合天然海洋的物理本质，为海岸工程科学研究提供了技术基础。

附图说明

图1为本发明造波装置的平面布置图；

图2是本发明造波方法应用实例所获得的试验水深历时过程效果示意图；

图3是本发明造波方法应用实例所获得的试验波高历时过程效果示意图。

图中：箭头代表水流运动方向；1、水库；2、试验水池；3、双向可逆水泵；4、流量控制器；5、波浪传感器信号采集器；6、波高传感器；7、防波堤；8、水泥边壁；9、造波机；10、消波装置；11、连通涵管；12、分隔墙；13、稳水池；14、水位传感器；15、造波信号控制器。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

请参阅图1，一种水位变化下的波浪物理模型试验无间断造波装置，包括试验系统，所述试验系统包括试验水池2、造波机9和造波信号控制器15，所述造波机9由所述造波信号控制器15控制并安装在所述试验水池2内，在所述试验水池2内设有消波装置10。该造波装置还包括水位控制系统、稳水系统和监测系统。

所述水位控制系统包括水库1、双向可逆水泵3及流量控制器4，在所述水库1和所述试验水池2之间设有所述双向可逆水泵3，所述双向可逆水泵3设有所述流量控制器4，所述流量控制器4根据水位传感器14采集得到的水深数据信号调节双向可逆水泵3的流量控制参数。

所述稳水系统包括稳水池13，所述稳水池13的底部与所述试验水池2的底部采用连通涵管11连接。

所述监测系统包括波浪传感器6和所述水位传感器14，所述波浪传感器6布置在所述造波机9的前方，所述水位传感器14布置在所述稳水池13中。

所述造波信号控制器15根据所述水位传感器14采集得到的水深数据信号确定输出信号。

在本实施例中，为了使稳水池内的水面更加静稳，在所述稳水池13内设有与所述连通涵管11垂直的分隔墙12，所述水位传感器14设置在所述分隔墙12的后方，可使其获取的水深数据更加准确。在所述连通涵管11的管壁内侧设有加糙结构，进一步增强了波浪振荡水流在连通涵管11内的紊动耗散，也能够使稳水池13内的水面更加静稳。

上述造波装置采用的造波方法，包括以下步骤：

1)根据模型试验要求设计波浪物理模型，并确定模型的水平比尺、垂向比尺和时间比尺；

2)根据现场实测或数学模型试验资料，获取对应造波机9前波高传感器6位置处的原型水深、波高和波周期历时过程数据，并将其按步骤1)中的水平比尺、垂向比尺和时间比尺转换成模型设计水深、模型设计波高、模型设计波周期历时过程数据；

3)按固定时间间隔，将步骤2)中的模型设计水深、模型设计波高、模型设计波周期历时过程的时长均拆分为N个特征时刻，按出现时间的先后顺序分别定义为T_i(i＝1～N)，并给出每个特征时刻T_i所对应的模型设计水深D_i(i＝1～N)、模型设计波高H_i(i＝1～N)和模型设计波周期P_i(i＝1～N)；

4)令试验水池2和稳水池13保持静水环境，并开启双向可逆水泵3，通过注入或抽出水体的方式，使得试验水池2和稳水池13内的水深发生变化，流量控制器4根据水位传感器14采集得到的水深数据信号调节双向可逆水泵3的流量控制参数，并最终使得试验水池2内水深在特征时刻T_i(i＝1～N)等于模型设计水深D_i(i＝1～N)，记录该过程双向可逆水泵3的流量控制参数，并确定其为模型水位连续变动控制参数；

5)启动双向可逆水泵3，使流量控制器4采用步骤4)中得到的模型水位连续变动控制参数控制双向可逆水泵的流量，当时间到达第一个特征时刻T₁时，开始启动造波机9，并将水位传感器14采集得到的水深数据信号实时传输至造波信号控制器15中，当水位传感器9的实测水深达到模型设计水深范围时，造波信号控制器调取对应水深下的模型设计波高和模型设计波周期，作为造波波高和造波波周期，输入造波控制程序，使造波机9开始造波，直至最后一个特征时刻T_N时，试验完毕。

在步骤5)中，所述水位传感器9采集得到的水深数据信号按设定的时间间隔传输至造波信号控制器中，当水深数据信号传至造波信号控制器15时，当传输至造波信号控制器中的水深数据信号所对应的模型历时时刻T不等于任一特征时刻T_i时，则根据时刻T所处的具体时刻，按与其相邻两个特征时刻所对应的波高、波周期以线性内插法得到造波波高和波周期。

上述造波方法的应用实例-用于风暴潮作用下的防波堤附近波浪传播特征试验的造波方法，请参见图1，防波堤7布置在试验水池2的接岸一侧，与水泥边壁8固接，采用信号采集器5采集试验水池2内的波浪信号。上述方法采用以下步骤：

1)根据模型试验要求设计波浪物理模型，在本实例中采用的物理模型平面比尺和垂向比值均为10.0，时间比尺为3.16。

表1应用实例选取的原型数据和模型数据

2)请参阅表1，基于前期风暴潮数学模型、波浪数学模型试验数据，提取对应造波机前波高传感器6位置处的原型水深、波高、波周期过程，时间长度共为9.0h。并将以上数据按步骤1中的平面比尺10、垂向比尺10和时间比尺3.16折算模型设计水深、模型设计波高、模型设计波周期历时过程数据；在本实施例中，折算后的模型水深D在0.4m～0.5m间变化，波高H在0.05m～0.117m间变化。在本实施例中，波周期P均保持1.90s不变。

3)将表1中的水深、波高历时过程按1h的间隔共拆分为10个特征时刻，按出现的先后顺序分别定义为T_i(i＝1～10)，并给出每个T_i时刻所对应的模型设计水深D_i(i＝1～10)、模型设计波高H_i(i＝1～10)，在本实施例中，模型设计波周期P_i(i＝1～10)均保持1.90s不变。

4)令试验水池2和稳水池13保持静水环境，并开启双向可逆水泵3，通过注入或抽出流量的方式，使得试验水池2和稳水池13内的水深发生变化，在水位传感器14的监测下调节双向可逆水泵3的流量参数，并最终使得试验水池2内水深在特征时刻T_i(i＝1～N)等于模型设计水深D_i(i＝1～N)，记录该过程双向可逆水泵3的流量控制参数，并确定其为模型水位连续变动控制参数。

5)启动双向可逆水泵3，使流量控制器4采用步骤4)中得到的模型水位连续变动控制参数控制双向可逆水泵3的流量，使试验水池2和稳水池13内的水位连续变动。根据表1中数据，试验自T₁时刻起始，即水深达到D₁＝0.4m时，开启造波机9，调取波高H₁＝0.05m和波周期P₁＝1.90s，并将以上参数输入造波信号控制器15中开始造波。在试验过程中，将水位传感器14采集得到的水深数据信号按1min的固定间隔传输到造波信号控制器15中。需特别指出的是，当传输至造波信号控制器中的水深数据信号所对应的模型历时时刻T不等于任一特征时刻T_i时，按相邻两个特征时刻所对应的模型设计波高、模型设计波周期以线性内插法得到造波波高H和波周期P。举例说明，如水位信号传输至造波控制器15的时刻为T＝3.5h时，则对波高H的选取则采用H₄和H₅的平均值，即H＝0.076m，波周期P由于在本实施例中保持1.90s不变，则P＝1.90s。按以上方式持续造波，直至时刻达到T₁₀时，试验完毕。

为说明本发明最终实现的效果，图2中给出了水位传感器14测得的模型实际水深过程和设计水深过程的对比情况，图3中给出了波高传感器6测得的模型实际波高过程和设计波高过程的对比情况。经对比，本发明很好的实现了水位连续变动环境下的无间断造波。

本发明在常规的波浪物理模型试验系统外，增加创建了3个子系统，分别为水位控制系统、稳水系统和监测系统。

水位控制系统一般应用于潮流运动物理模型试验中，通过设置双向可逆水泵配合外部水库的方法，控制进、出试验水池的流量，进而实现试验水池内水深的连续变动。在本发明中将其引入到波浪物理模型试验中。

稳水系统主要用于解决在造波过程中，由于波浪的振荡，将造成水面始终出现波纹，无法精确测量背景水位的问题，通过不受波浪自由表面振荡影响的连通涵管将试验水池与一个外部稳水池相连，基于连通原理，两个水池的背景水位是时刻相同的，从而可通过在稳水池内设置水位传感器对整个试验系统内的水位加以监测。连通涵管的管壁内侧采用加糙处理，进一步消散近底水流的微弱振荡，同时在稳水池内设置分割墙，在有限的范围内加长了流路。以上装置保证了稳水池内水位静稳，水位测量不受试验水池内的波浪振荡影响。

监测系统主要用于解决造波信号控制系统仅能在设定的参数环境下进行造波，未能实现造波信号随水深的实时变化与修正的问题，当水位传感器采集到水位信息后，将其信号反馈至造波信号控制器中，实时修正造波信号控制器中的造波参数，保障了造波信号随水位的连续、不间断变化。

本发明解决了当前在波浪物理模拟技术中仅能针对固定水深条件下开展造波的弊端，同时也解决了由于波浪自由表面振荡导致难以精确评价水位信息的难题。本发明拓展了波浪物理模拟技术的适用范围，使试验环境更加切合天然海洋的物理本质，为海岸工程科学研究提供了技术基础。

尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围的情况下，还可以做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种水位变化下的波浪物理模型试验无间断造波装置，包括试验系统，所述试验系统包括试验水池、造波机和造波信号控制器，所述造波机由所述造波信号控制器控制并安装在所述试验水池内，其特征在于，该造波装置还包括水位控制系统、稳水系统和监测系统，所述水位控制系统包括水库、双向可逆水泵及流量控制器，在所述水库和所述试验水池之间设有所述双向可逆水泵，所述双向可逆水泵设有所述流量控制器，所述流量控制器根据水位传感器采集得到的水深数据信号调节双向可逆水泵流量控制参数，所述稳水系统包括稳水池，所述稳水池的底部与所述试验水池的底部采用连通涵管连接，所述监测系统包括波浪传感器和所述水位传感器，所述波浪传感器布置在所述造波机的前方，所述水位传感器布置在所述稳水池中，所述造波信号控制器根据所述水位传感器采集得到的水深数据信号确定输出信号。

2.根据权利要求1所述的水位变化下的波浪物理模型试验无间断造波装置，其特征在于，在所述稳水池内设有与所述连通涵管垂直的分隔墙，所述水位传感器设置在所述分隔墙的后方。

3.根据权利要求1所述的水位变化下的波浪物理模型试验无间断造波装置，其特征在于，在所述连通涵管的管壁内侧设有加糙结构。

4.一种如权利要求1所述水位变化下的波浪物理模型试验无间断造波装置采用的造波方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据模型试验要求设计波浪物理模型，并确定模型的水平比尺、垂向比尺和时间比尺；

2)根据现场实测或数学模型试验资料，获取对应造波机前波高传感器位置处的原型水深、原型波高和原型波周期历时过程数据，并将其按步骤1)中的水平比尺、垂向比尺和时间比尺转换成对应的模型设计水深、模型设计波高、模型设计波周期历时过程数据；

3)按固定时间间隔，将步骤2)中的模型设计水深、模型设计波高、模型设计波周期历时过程的时长均拆分为N个特征时刻，按出现时间的先后顺序分别定义为T_i(i＝1～N)，并给出每个特征时刻T_i所对应的模型设计水深D_i(i＝1～N)、模型设计波高H_i(i＝1～N)和模型设计波周期P_i(i＝1～N)；

4)令试验水池和稳水池保持静水环境，并开启双向可逆水泵，通过注入或抽出水体的方式，使得试验水池和稳水池内的水深发生变化，流量控制器根据水位传感器采集得到的水深数据信号调节双向可逆水泵的流量控制参数，并最终使得试验水池内水深在特征时刻T_i(i＝1～N)等于模型设计水深D_i(i＝1～N)，记录该过程双向可逆水泵的流量控制参数，并确定其为模型水位连续变动控制参数；

5)启动双向可逆泵，使流量控制器采用步骤4)中得到的模型水位连续变动控制参数控制双向可逆水泵的流量，当时间到达第一个特征时刻T₁时，开始启动造波机，并将水位传感器采集得到的水深数据信号实时传输至造波信号控制器中，当水位传感器的实测水深达到模型设计水深范围时，造波信号控制器调取对应水深下的模型设计波高和模型设计波周期，作为造波波高和造波波周期，输入造波控制程序，使造波机开始造波，直至最后一个特征时刻T_N时，试验完毕。

5.根据权利要求4所述的造波方法，其特征在于，在步骤5)中，所述水位传感器采集得到的水深数据信号按设定的时间间隔传输至造波信号控制器中，当传输至造波信号控制器中的水深数据信号所对应的模型历时时刻T不等于任一特征时刻T_i时，则根据时刻T所处的具体时刻，按与其相邻两个特征时刻所对应的模型设计波高、模型设计波周期以线性内插法得到造波波高和波周期。