CN107941460B - 一种高效的实验波浪水槽共振消波装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高效的实验波浪水槽共振消波装置及方法，属于海洋工程波浪物理模拟技术领域。该装置设置于实验室波浪水槽内，位于水槽末端直壁的前方，包括竖向运动装置、水平运动装置、支撑部件、孔隙材料和矩形箱体，通过竖向运动装置可使矩形箱体发生垂直升降，来调节矩形箱体的吃水。通过水平运动装置，可调节水槽端部缝隙宽度。当将矩形箱体的长度、吃水和缝隙宽度调节到目标值后，矩形箱体通过支撑部件固定在实验水槽中，保证矩形箱体和支撑部件在波浪作用下不发生运动。本消波装置具有安装灵活、便与调整、操作简单等特点。能够在有限长度的实验水槽内，对较宽波频范围的波浪展开实验，尤其是可以开展低频长波实验。

Description

一种高效的实验波浪水槽共振消波装置及方法

技术领域

本发明属于海洋工程波浪物理模拟技术领域，提出了一种高效的实验波浪水槽共振消波装置及方法。利用共振频率下，局部空间内波浪响应幅值大和机械能耗散显著的现象来吸收入射波浪的能量，从而减小水槽或水池末端的反射波波幅，达到消波的目的。

背景技术

目前，海洋工程类实验室中的波浪水槽或波浪水池，大多采用布置人工岸滩或消能网的方法，来减小水槽或水池末端的反射波，以确保实验精度。为了达到良好的消波效果，人工岸滩或消能网的长度一般至少需要一倍以上的入射波波长。而对于低频长波，有效的消波段长度则往往需要几倍的入射波波长。此外，以上两种传统消波装置的消波效果，对波浪参数具有显著的依赖作用，难以在整个实验波频范围内实现对反射波波幅的有效减小(即达到反射系数小于0.1的目标)。传统消波装置具有消波段长和适用波频范围窄的缺点，导致在实验过程中，经常出现无法有效消除反射波的情况，对实验结果产生严重影响。特别是对于一些已经建成的长度不大的实验水槽来说，消除低频长波所需要的过长消波段严重限制了实验工作的有效展开。因此，本发明提出一种高效的消波方法，基于该方法提出了一种消波段长度短、适用波频范围广的消波装置。尤其是其可以有效减小低频长波反射的特性，对确保实验范围和提高实验精确度十分有价值。

发明内容

为了能够在有限长度的实验水槽内，对较宽波频范围的波浪展开实验，尤其是开展低频长波实验，本发明基于共振原理提出了一种高效的实验室消波方法和消波装置。

本发明的技术方案：

一种高效的实验波浪水槽共振消波装置，该装置放置于实验室波浪水槽内，位于水槽末端直壁的前方，如附图1所示。包括竖向运动装置、水平运动装置、支撑部件、孔隙材料和矩形箱体；

所述的竖向运动装置包括竖向齿轮、旋转齿轮、摇杆和长条板；竖向齿轮和旋转齿轮相互咬合，旋转齿轮与摇杆固连；连接箱体的长条板固定在竖向齿轮的下端，通过螺钉来连接矩形箱体；转动摇杆，通过旋转齿轮带动竖向齿轮、长条板和矩形箱体同时发生竖向运动；

所述的水平运动装置包括水平轨道和底部滑轮；两条水平轨道对称固定在实验波浪水槽的两个侧壁的横梁上部，为底部滑轮提供运动轨道；

所述的支撑部件包括竖向固定装置、水平固定装置和“门”字型支架，“门”字型支架的横梁上设有凹槽，竖向齿轮和旋转齿轮被限制于凹槽中；水平固定装置为“门”字型支架底端的两个卡爪，用于将支撑部件卡固在水槽侧壁横梁上；竖向固定装置位于“门”字型支架的横梁上，用于夹持竖向齿轮，从而将竖向运动装置固定于“门”字型支架的横梁上；

所述的孔隙材料为多孔金属材料，填充于矩形箱体与水槽末端直壁之间的缝隙中，孔隙材料起到阻尼的作用，来消耗入射波的能量；所述的多孔金属材料为金属丝网或格栅板；

所述的矩形箱体的长度L根据入射波的波浪参数来确定，其长度L通过具有不同尺寸的标准箱体来组合调节；标准箱体的长度有50cm、20cm、10cm、5cm和1cm等不同规格；标准箱体的宽度比实验水槽的内径小1cm，各标准箱体外侧面粘贴尼龙刷丝材料，以填充标准箱体模块与水槽内壁之间的间隙；标准箱体的高度与实验波浪水槽的高度相同。

通过竖向运动装置使得矩形箱体发生垂直升降运动，来调节矩形箱体的吃水d；通过水平运动装置调节水槽端部缝隙宽度S；当矩形箱体的长度L、吃水d和缝隙宽度S调节到目标值后，矩形箱体通过支撑部件固定在实验波浪水槽中，进一步通过水平固定装置将上述部件固定于水槽侧壁的横梁上，保证矩形箱体和支撑部件在波浪作用下不发生运动。

一种高效的实验波浪水槽共振消波的方法，该方法以局部波浪共振(共振条件)和阻尼耗散原理(阻尼条件)为基础，利用局部空间内波浪响应幅值大和机械能耗散显著的现象来吸收入射波浪的能量。

共振消波方法的实施原理图如附图3所示，需要满足两个条件：

第一部分是满足共振条件：根据入射波的波浪参数选定实验波浪水槽共振消波装置的几何尺寸，包括矩形箱体的长度L、吃水d和缝隙的宽度S，使得实验波浪水槽共振消波装置周围水体的固有频率(ω_r)接近入射波浪频率(ω)；当共振条件满足时，缝隙内的大幅共振波浪响应必定会伴随着大量的能量耗散，从而大幅减小反射波的幅值；

第二部分是满足阻尼条件：安装具有合适阻尼系数μ的孔隙材料，孔隙材料的阻尼系数μ与材料的孔隙率相关，即安装具有合适孔隙率的孔隙材料，进一步耗散入射波的能量，最终达到消除反射波的目的。

具体步骤如下：

步骤一：确定入射波浪的波浪要素：水深h、波浪频率ω和波高H，根据色散关系式

采用迭代法求解出入射波的波长λ；

步骤二：根据入射波浪的波长λ，确定缝隙宽度S；缝隙宽度S的选取按照以下规则进行选取：对于波长参数范围为1.00m<λ<2.70m的入射波，缝隙宽度S在0.07m～0.10m之间选取；波长参数范围为2.70m<λ<4.00m的入射波，缝隙宽度S在0.10m～0.15m之间选取；波长参数范围为4.00m<λ<6.55m的入射波，缝隙宽度S在0.15m～0.20m之间选取；

步骤三：根据入射波浪的波长λ，确定矩形箱体的长度L；矩形箱体的长度L根据下列规则进行选取：对于波长参数范围为1.00m<λ<2.70m的入射波，长度L在0.01m～1.00m之间选取；波长参数范围为2.70m<λ<4.00m的入射波，长度L在1.00m～1.50m之间选取；波长参数范围为4.00m<λ<6.55m的入射波，长度L在1.50m～1.80m之间选取；

步骤四：当缝隙宽度S和矩形箱体的长度L确定后，根据共振条件(ω_r≈ω)，确定矩形箱体的吃水d；若得到的吃水d大于水深的90％或小于水深的20％时，返回步骤二和步骤三，重新选取缝隙宽度S和矩形箱体的长度L；

步骤五：根据选取好的矩形箱体的长度L、吃水d和缝隙的宽度S，利用阻尼条件，确定出最优阻尼系数μ；

步骤六：以矩形箱体的长度L为基准，选取不同尺寸的标准箱体进行组合，保证所选取的标准箱体的长度总和达到L；通过长条板，将矩形箱体固定连接在竖向齿轮上；

步骤七：转动摇杆，通过旋转齿轮带动竖向齿轮、长条板和矩形箱体同时发生竖向运动，调节矩形箱体到步骤四所计算得到的吃水d；然后，通过竖向固定装置将竖向运动装置固定在“门”字型支架上；

步骤八：利用水平运动装置，调节缝隙达到目标宽度S后，通过水平固定装置将支撑部件固定在水槽侧壁的上端；

步骤九：根据最优阻尼系数μ，安装具有合适孔隙率的孔隙材料。

综上所述，当共振条件和阻尼条件均满足后，采用上述共振消波方法的消波装置就可以提供几乎无反射的消波效果。

本发明的有益效果：

1)本发明提出的共振消波方法和消波装置可适用于十分宽泛的波浪参数范围，其无因次波频参数范围为：0.46<ω/(g/h)^0.5<1.75，其中，ω为入射波浪频率，g为重力加速度，h为水深；

2)对上述波频范围内的入射波，该共振消波方法和共振消波装置可以实现理想的消波效果——反射系数K_R均小于0.05；

3)相对于传统的消波装置，本消波装置的总长度(L+S)不超过入射波长的40％，因此可以有效增加实验区域的长度。以频率为ω/(g/h)^0.5＝0.46，波高为H＝0.03m的低频长波为例(在水深h＝0.5m时，波长为λ＝6.55m)，当消波段长度仅为入射波长的30.5％时(L+S＝2.00m)，即可达到反射系数K_R＝0.024的优异消波效果。

4)本消波装置具有安装灵活、便于调整、操作简单等特点。对于任意的波浪参数，只需在开展实验前确定出消波装置的基本参数，根据基本参数调节消波装置的长度L和空间位置即可。

附图说明

图1是实验水槽内共振消波装置的布置细节图。

图2是共振消波装置说明图。

图3是共振消波方法的应用原理图。

图中：A竖向运动装置；B支撑部件；C水平运动装置；D孔隙材料；

E矩形箱体；F水槽末端直壁；G水槽底面；H水槽侧壁；1竖向齿轮；

2旋转齿轮；3摇杆；4水平轨道；5底部滑轮；6竖向固定装置；

7水平固定装置；8长条板；9“门”字型支架。

具体实施方式

根据前述的技术方案，结合附图进一步说明共振消波装置在实验室水槽内的具体实施步骤：

步骤一：确定入射波浪的波浪要素：水深h、波浪频率ω和波高H，根据色散关系式

采用迭代法求解出入射波的波长λ；

步骤二：根据入射波浪的波长λ，确定缝隙宽度S。缝隙宽度S的选取按照以下建议进行选取：对于波长λ参数范围为1.00m<λ<2.70m的入射波，缝隙宽度S建议在0.07m～0.10m之间选取；波长参数范围为2.70m<λ<4.00m的入射波，缝隙宽度S建议在0.10m～0.15m之间选取；波长参数范围为4.00m<λ<6.55m的入射波，缝隙宽度S建议在0.15m～0.20m之间选取；

步骤三：根据入射波浪的波长λ，确定矩形箱体E的长度L。矩形箱体E的长度L根据下列建议进行选取：对于波长参数范围为1.00m<λ<2.70m的入射波，长度L建议在0.01m～1.00m之间选取；波长参数范围为2.70m<λ<4.00m的入射波，长度L建议在1.00m～1.50m之间选取；波长参数范围为4.00m<λ<6.55m的入射波，长度L建议在1.50m～1.80m之间选取；

步骤四：当缝隙宽度S和矩形箱体E的长度L给定后，根据共振条件，确定出矩形箱体E的吃水d。如果计算得到的吃水d大于水深的90％时或者小于水深的20％时，返回步骤二和步骤三，重新选取缝隙宽度S和矩形箱体E长度L；

步骤五：根据选取好的矩形箱体E的长度L、吃水d和缝隙的宽度S，利用阻尼条件，确定出最优阻尼系数μ；

步骤六：以矩形箱体E的长度L为基准，选取不同尺寸的标准箱体进行组合，保证所选取的标准箱体的长度总和达到L。通过长条板8，将矩形箱体E固定连接在竖向齿轮1上；

步骤七：转动摇杆3，通过旋转齿轮2带动竖向齿轮1、长条板8和矩形箱体E同时发生竖向运动，调节矩形箱体E到上述所计算得到的吃水d。然后，通过竖向固定装置6将上述竖向运动装置A固定在“门”字型支架9上；

步骤八：“门”字型支架9通过底部滑轮5，带动竖向运动装置A和矩形箱体E在固定的水平轨道4上发生水平运动，调节缝隙达到目标宽度S。进一步通过水平固定装置7将支撑部件B固定在水槽侧壁H的上端；

步骤九：根据最优阻尼系数μ，安装具有合适孔隙率的孔隙材料D。

由此，共振消波方法满足共振条件和阻尼条件后，该共振消波装置即可应用于波浪水池实验消波。通过合理的参数布置和优化的阻尼材料安装，共振消波装置就能够以较短的消波段长度，对较宽的波频范围，达到几乎无反射的消波效果(对应的消波指标为K_R<0.05)。从而，为波浪物理实验提供高效的消波效果，确保实验结果的准确性。更为重要的是，对一些已经建成的中短长度水槽，在其内部也可开展低频长波实验，大幅拓展实验研究的工作范围。

Claims (3)

1.一种高效的实验波浪水槽共振消波装置，其特征在于，该装置放置于实验室波浪水槽内，位于水槽末端直壁(F)的前方，包括竖向运动装置(A)、水平运动装置(C)、支撑部件(B)、孔隙材料(D)和矩形箱体(E)；

所述的竖向运动装置(A)包括竖向齿轮(1)、旋转齿轮(2)、摇杆(3)和长条板(8)；竖向齿轮(1)和旋转齿轮(2)相互咬合，旋转齿轮(2)与摇杆(3)固连；连接箱体的长条板(8)固定在竖向齿轮的下端，通过螺钉来连接矩形箱体(E)；转动摇杆(3)，通过旋转齿轮(2)带动竖向齿轮(1)、长条板(8)和矩形箱体(E)同时发生竖向运动；

所述的水平运动装置(C)包括水平轨道(4)和底部滑轮(5)；两条水平轨道(4)对称固定在实验波浪水槽的两个侧壁(H)的横梁上部，为底部滑轮(5)提供运动轨道；

所述的支撑部件(B)包括竖向固定装置(6)、水平固定装置(7)和“门”字型支架(9)，“门”字型支架(9)的横梁上设有凹槽，竖向齿轮(1)和旋转齿轮(2)被限制于凹槽中；水平固定装置(7)为“门”字型支架(9)底端的两个卡爪，用于将支撑部件(B)卡固在水槽侧壁(H)横梁上；竖向固定装置(6)位于“门”字型支架(9)的横梁上，用于夹持竖向齿轮(1)，从而将竖向运动装置(A)固定于“门”字型支架(9)的横梁上；

所述的孔隙材料(D)为多孔金属材料，填充于矩形箱体(E)与水槽末端直壁(F)之间的缝隙中，孔隙材料(D)起到阻尼的作用，来消耗入射波的能量；所述的多孔金属材料为金属丝网或格栅板。

2.根据权利要求1所述的一种高效的实验波浪水槽共振消波装置，其特征在于，所述的矩形箱体(E)的长度L通过具有不同尺寸的标准箱体来组合调节；标准箱体的长度有50cm、20cm、10cm、5cm和1cm的不同规格；标准箱体的宽度比实验水槽的内径小1cm，各标准箱体外侧面粘贴尼龙刷丝材料，以填充标准箱体模块与水槽内壁之间的间隙；标准箱体的高度与实验波浪水槽的高度相同。

3.一种高效的实验波浪水槽共振消波的方法，其特征在于，该方法是基于权利要求1-2任一所述的一种高效的实验波浪水槽共振消波装置实现的，以局部波浪共振和阻尼耗散原理为基础，利用局部空间内波浪响应幅值大和机械能耗散显著的现象来吸收入射波浪的能量，具体步骤如下：

步骤一：确定入射波浪的波浪要素：水深h、波浪频率ω和波高H，根据色散关系式

采用迭代法求解出入射波的波长λ；

步骤二：根据入射波浪的波长λ，确定缝隙宽度S；缝隙宽度S的选取按照以下规则进行选取：对于波长参数范围为1.00m<λ<2.70m的入射波，缝隙宽度S在0.07m～0.10m之间选取；波长参数范围为2.70m<λ<4.00m的入射波，缝隙宽度S在0.10m～0.15m之间选取；波长参数范围为4.00m<λ<6.55m的入射波，缝隙宽度S在0.15m～0.20m之间选取；

步骤三：根据入射波浪的波长λ，确定矩形箱体(E)的长度L；矩形箱体(E)的长度L根据下列规则进行选取：对于波长参数范围为1.00m<λ<2.70m的入射波，长度L在0.01m～1.00m之间选取；波长参数范围为2.70m<λ<4.00m的入射波，长度L在1.00m～1.50m之间选取；波长参数范围为4.00m<λ<6.55m的入射波，长度L在1.50m～1.80m之间选取；

步骤四：当缝隙宽度S和矩形箱体(E)的长度L确定后，根据共振条件ω_r≈ω，确定矩形箱体(E)的吃水d；当得到的吃水d大于水深的90％或小于水深的20％时，返回步骤二和步骤三，重新选取缝隙宽度S和矩形箱体(E)的长度L；

步骤五：根据选取好的矩形箱体(E)的长度L、吃水d和缝隙的宽度S，利用阻尼条件，确定出最优阻尼系数μ；

步骤六：以矩形箱体(E)的长度L为基准，选取不同尺寸的标准箱体进行组合，保证所选取的标准箱体的长度总和达到L；通过长条板(8)将矩形箱体(E)固定连接在竖向齿轮(1)上；

步骤七：转动摇杆(3)，通过旋转齿轮(2)带动竖向齿轮(1)、长条板(8)和矩形箱体(E)同时发生竖向运动，调节矩形箱体(E)到步骤四所计算得到的吃水d；然后，通过竖向固定装置(6)将竖向运动装置(A)固定在“门”字型支架(9)上；

步骤八：利用水平运动装置(C)，调节缝隙达到目标宽度S后，通过水平固定装置(7)将支撑部件(B)固定在水槽侧壁(H)的上端；

步骤九：根据最优阻尼系数μ，安装具有合适孔隙率的孔隙材料(D)。

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