CN109695221A - L型造波机造波信号生成方法、装置和l型造波机 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种L型造波机造波信号生成方法、装置和L型造波机，属于实验室波浪的物理模拟技术领域。本发明提供的L型造波机造波信号生成方法、装置和L型造波机，利用全域内的目标波浪信息，直接求解运动连轴运动离散方程，得到计算造波信号。不同于传统的线性解析解方法，该方法是一种时域内数值微分方法，完全考虑波浪的非线性，无须在频域内求解复杂的水动力传递函数，有效提高了模拟精度和效率，减少了造波板运动过程中的不协调现象，大幅简化了程序，增加了波浪物理模拟的稳定性和实效性。在造波机结构上，将两边相接处设置成圆弧过渡段，从而保证了波浪空间分布的连续性和均匀性，有效避免了无效波浪区的形成。

Description

L型造波机造波信号生成方法、装置和L型造波机

技术领域

本发明涉及实验室波浪的物理模拟技术领域，具体而言，涉及一种L型造波机造波信号生成方法、装置和L型造波机。

背景技术

在海岸、近海或海洋工程领域，波浪是一种关键的水动力载荷。模拟波浪并研究其对结构物的作用或破坏机理，可帮助人们认识波浪的威胁，以便为科学研究和工程设计提供技术指导。海洋波浪的物理模拟是研究波浪理论的重要方法，也是解决各类波浪相关问题的重要手段。采用造波机在实验室中生成物理波浪是目前研究波浪传播、破碎特性及其与涉海结构物相互作用的一种重要实验方法。实验室中所模拟的海洋波浪的精度将直接影响实验结果的准确性和可信度。

目前，实验室中通常采用在波浪水池中用分段式造波机生成波浪的方法来模拟真实的海洋波浪。分段造波机造波过程中各造波板的运动存在一定的时间差，平面形态上呈“蛇形”运动，故又称“蛇形造波机”，较常见的形式是在四边形水池的其中一条边设置一条直线排列的分段式造波机。然而，传统单边直线排列分段式造波机由于受波浪方向的限制，如图1所示，其有效范围(有效波浪区)一般比较窄，应用范围受到非常大的限制。为拓展波浪的有效范围，科研人员研制出多边分段式造波机，如在水池的相邻两条边设置分段式造波机，这类造波机所有造波板静止时在平面形态上组成“L”型，故又称L型造波机。

对于现有的L型造波机，仍存在以下两大技术难题并未得到解决：

第一，在结构上，两条造波边界的对角处存在“盲区”，导致大面积无效波浪区的存在。目前的L型造波机，并未对相邻两条边的交接处进行处理，或者进行简单的直角对接，或者用水泥直角墙进行分割，如图2所示。这就导致在实际的多向三维波浪模拟过程中，出现水池大面积的无效波浪区，如图3所示，严重影响实验结果的准确性，制约了L型造波机的应用和发展。

第二，在造波机造波信号的生成技术上，仍基于线性波浪假定，采用传统的基于半无限假定的频域方法，存在造波信号计算结果误差大、过程异常复杂、繁琐冗长、信号生成慢、数据传输慢、容易导致造波板运动的不协调等问题。从国内外目前已公开三维造波机技术来看，其造波信号计算方法无一例外均在半无限物理波浪域假定下进行(可以称之为“半域”方法)，即假定造波机至波浪传播的方向无限远处为半无限域。通过理论求解水动力参数解析解，从而求得传递函数，再由拟定的波向、波高、周期等波浪参数来反算出造波信号。计算过程中将目标波浪定义为线性波，而忽略了重要的非线性因素，导致波浪模拟精度下降。所需的水动力传递函数计算极为复杂，且对造波边界的平面布置形态要求很苛刻，一般只适合于简单的直线布置，而对于复杂的平面布置无能为力。该参数与波浪的频率有关，因此可归类于线性频域的方法，计算过程中需要大量用到Hankel、Bessel类函数等，存在推导和计算过程异常复杂、繁琐冗长、容易导致造波板运动的不协调等问题。

发明内容

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种L型造波机造波信号生成方法、装置和L型造波机，通过全域(全域即：包括用于生成波浪的物理波浪域和由所述物理波浪域沿造波边界镜像反向延伸得到的虚拟波浪域。)内的目标波浪信息，通过直接求解运动连轴运动离散方程，得到造波信号，简化了推导计算过程，提高了计算精度和效率，有效减少了造波板运动过程中的不协调现象。

第一方面，本发明实施例提供了一种造波信号生成方法，应用于L型造波机，所述L型造波机包括沿水池相邻的两条边设置的直线段分段造波单元，以及连接两直线段分段造波单元的圆弧过渡段分段造波单元；所述直线段分段造波单元和所述圆弧过渡段分段造波单元均由多块造波板连接构成，相邻造波板之间通过运动连轴连接；所述运动连轴在驱动力作用下沿造波板连线的法线方向作往复运动；所述方法包括：

根据L型造波机的现场平面布置形式，建立初始状态坐标系，确定每个所述运动连轴在所述初始状态坐标系中的初始位置；

根据用户输入的目标波浪类型和目标波浪参数，确定全域内目标波浪的波面表达式；所述全域包括用于生成波浪的物理波浪域和由所述物理波浪域反向延伸得到的虚拟波浪域；

根据所述目标波浪的波面表达式和用户输入的目标波浪参数，确定虚拟波浪域与物理波浪域交界处各个运动连轴位置的波浪信息；所述各个运动连轴位置的波浪信息包括各个运动连轴位置的水深平均速度；

根据所述波浪信息，通过求解运动连轴的运动离散方程，得到相应的造波信号；

输出所述造波信号，以控制所述L型造波机对波浪进行物理模拟。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，确定每个所述运动连轴在所述初始状态坐标系中的初始位置的步骤，包括：分别针对两个直线段分段造波单元和圆弧过渡段分段造波单元确定各个运动连轴在所述初始状态坐标系中的初始位置。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，根据用户输入的目标波浪类型和目标波浪参数，确定全域内目标波浪的波面表达式的步骤，包括：

当所述目标波浪类型为线性规则波时，目标波浪的波面表达式为：

其中，η(x,y,t)为波面方程，H为用户输入的目标波浪参数中的波高，k为根据用户输入的目标波浪参数确定的目标波浪的波数，ω为根据用户输入的目标波浪参数确定的圆频率，x、y分别为目标波浪的波面的x坐标和y坐标，θ为目标波浪相对于x轴的波向角。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，根据用户输入的目标波浪类型和目标波浪参数，确定全域内目标波浪的波面表达式的步骤，包括：

当所述目标波浪类型为线性不规则波时，目标波浪的波面表达式为：

其中，η(x,y,t)为波面方程，N为根据用户输入的目标波浪参数确定的目标不规则波的组成波的数量，a_m为根据用户输入的目标波浪参数确定的各组成波的幅值，k_m为根据用户输入的目标波浪参数确定的各组成波的波数，ω_m为根据用户输入的目标波浪参数确定的目标不规则波的各组成频率，ε_m为随机相位，是[0,2π]内均匀分布的随机数，x、y分别为目标波浪的波面的x坐标和y坐标，θ为目标波浪相对于x轴的波向角。

结合第一方面，本发明实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，根据所述波浪信息，通过求解运动连轴的运动离散方程，得到相应的造波信号的步骤，包括：采用数值离散方法对预先设定的运动连轴运动微分方程进行离散，得到各个运动连轴的运动离散方程；

根据设定的初始条件和边界条件，结合运动连轴的运动离散方程，得到各个运动连轴相应的造波信号。

第二方面，本发明实施例还提供了一种造波信号生成装置，应用于L型造波机，所述L型造波机包括沿储水装置相邻的两条边设置的直线段分段造波单元，以及连接两直线段分段造波单元的圆弧过渡段分段造波单元；所述直线段分段造波单元和所述圆弧过渡段分段造波单元均由多块造波板连接构成，相邻造波板之间通过运动连轴连接；所述运动连轴在驱动力作用下沿造波板连线的法线方向作往复运动；所述装置包括：

坐标确定模块，用于根据L型造波机的现场平面布置形式，建立初始状态坐标系，确定每个所述运动连轴在所述初始状态坐标系中的初始位置；

波面确定模块，用于根据用户输入的目标波浪类型和目标波浪参数，确定全域内目标波浪的波面表达式；所述全域包括用于生成波浪的物理波浪域和由所述物理波浪域反向延伸得到的虚拟波浪域；

波浪信息确定模块，用于根据所述目标波浪的波面表达式和用户输入的目标波浪参数，确定虚拟波浪域与物理波浪域交界处各个运动连轴位置的波浪信息；所述各个运动连轴位置的波浪信息包括各个运动连轴位置的水深平均速度；

造波信号生成模块，用于根据所述波浪信息，通过求解各个运动连轴的运动离散方程，得到相应的造波信号；

造波信号输出模块，用于输出所述造波信号，以控制所述L型造波机对波浪进行物理模拟。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，所述坐标确定模块，还用于：分别针对两个直线段分段造波单元和圆弧过渡段分段造波单元确定各个运动连轴在所述初始状态坐标系中的初始位置。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第二种可能的实施方式，其中，所述波面确定模块，还用于：

当所述目标波浪类型为线性规则波时，目标波浪的波面表达式为：

其中，η(x,y,t)为波面方程，H为用户输入的目标波浪参数中的波高，k为根据用户输入的目标波浪参数确定的目标波浪的波数，ω为根据用户输入的目标波浪参数确定的圆频率，x、y分别为目标波浪的波面的x坐标和y坐标，θ为目标波浪相对于x轴的波向角；

当所述目标波浪类型为线性不规则波时，目标波浪的波面表达式为：

其中，η(x,y,t)为波面方程，N为根据用户输入的目标波浪参数确定的目标不规则波的组成波的数量，a_m为根据用户输入的目标波浪参数确定的各组成波的幅值，k_m为根据用户输入的目标波浪参数确定的各组成波的波数，ω_m为根据用户输入的目标波浪参数确定的目标不规则波的各组成频率，ε_m为随机相位，是[0,2π]内均匀分布的随机数，x、y分别为目标波浪的波面的x坐标和y坐标，θ为目标波浪相对于x轴的波向角。

结合第二方面，本发明实施例提供了第二方面的第三种可能的实施方式，其中，所述造波信号生成模块，还用于：

采用数值离散方法对预先设定的运动连轴运动微分方程进行离散，得到各个运动连轴的运动离散方程；

根据设定的初始条件和边界条件，结合运动连轴的运动离散方程，得到各个运动连轴相应的造波信号。

第三方面，本发明实施例还提供了一种L型造波机，包括沿储水装置相邻的两条边设置的直线段分段造波单元，以及连接两直线段分段造波单元的圆弧过渡段分段造波单元；所述直线段分段造波单元和所述圆弧过渡段分段造波单元均由多块造波板连接构成，相邻造波板之间通过运动连轴连接；每个运动连轴都与驱动电机连接，在所述驱动电机的驱动力作用下沿造波板连线的法线方向作往复运动；

所述造波机还包括处理器和存储器，所述存储器和所述驱动电机均与所述处理器连接；所述存储器存储有能够被所述处理器执行的机器可执行指令，所述处理器执行所述机器可执行指令，以通过上述的方法，控制所述驱动电机驱动所述运动连轴和造波板运动，进行波浪的物理模拟。

本发明带来了以下有益效果：

本发明提供的造波信号生成方法、装置和L型造波机，利用全域内的目标波浪信息，直接求解运动连轴运动离散方程，得到造波信号。不同于传统的线性解析解方法，该方法是一种时域数值微分方法，完全考虑了波浪的非线性，无须在频域内求解复杂的水动力传递函数理论解析解，简化了传统方法繁琐冗长的推导计算过程，提高了计算精度和效率，有效减少了造波板运动过程中的不协调现象，大幅简化了程序，增加了波浪物理模拟的稳定性和实效性。

在造波机结构上，为解决两条造波边界的对接盲区产生的大面积无效波浪区的问题，将两边相接处设置成圆弧过渡段，从而保证了波浪空间分布的连续性和均匀性，有效避免了无效波浪区的形成。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为现有技术的单边直线型造波机的有效范围示意图；

图2为现有技术的L型造波机两分段造波单元对角处理示意图；

图3为现有技术的L型造波机实际有效范围的示意图；

图4为本发明一实施例所提供的造波信号生成方法的流程图；

图5为本发明另一实施例所提供的造波信号生成方法的流程图；

图6为本发明再一实施例所提供的造波信号生成方法的流程图；

图7为本发明一实施例的造波信号生成方法中建立的初始状态坐标系的示意图；

图8为本发明一实施例所提供的造波信号生成装置的结构框图；

图9为本发明一实施例所提供的L型造波机的俯视图；

图10为本发明一实施例所提供的L型造波机的立体图；

图11为本发明一实施例所提供的L型造波机的造波板和运动连轴运动造波的示意图。

图标：1-水池；2-单边直线造波机；3-传统L型造波机；4-造波板；5-直角墙；6-短边分段造波单元；7-长边分段造波单元；8-圆弧过渡段分段造波单元；9-运动连轴。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

由于现有的造波机在生成造波信号时，采用基于半无限假定的频域方法，造波信号计算过程异常复杂、繁琐冗长、信号生成慢、数据传输慢、容易导致造波板运动的不协调等问题，为此，本发明实施例提供了一种L型造波机造波信号生成方法、装置和L型造波机，以下首先对本发明的造波信号生成方法进行详细介绍。

实施例一

本实施例提供了一种造波信号生成方法，应用于L型造波机。该L型造波机包括沿储水装置(如四方形水池)相邻的两条边设置的直线段分段造波单元，以及连接两直线段分段造波单元的圆弧过渡段分段造波单元。直线段分段造波单元和圆弧过渡段分段造波单元均由多块造波板连接构成，相邻造波板之间通过运动连轴连接。运动连轴在驱动力作用下沿造波板连线的法线方向作往复运动。如图4所示，该方法包括如下步骤：

步骤S401，根据L型造波机的现场平面布置形式，建立初始状态坐标系，确定每个运动连轴在初始状态坐标系中的初始位置；可分别针对两个直线段分段造波单元和圆弧过渡段分段造波单元确定各个运动连轴在所述初始状态坐标系中的初始位置。

步骤S402，根据用户输入的目标波浪类型和目标波浪参数，确定全域内目标波浪的波面表达式；此处的全域包括用于生成波浪的物理波浪域和由物理波浪域反向延伸得到的虚拟波浪域。

步骤S403，根据目标波浪的波面表达式和用户输入的目标波浪参数，确定虚拟波浪域与物理波浪域交界处各个运动连轴位置的波浪信息；各个运动连轴位置的波浪信息包括各个运动连轴位置的水深平均速度。

步骤S404，根据波浪信息，通过求解运动连轴的运动离散方程，得到相应的造波信号。

步骤S405，输出造波信号，以控制L型造波机对波浪进行物理模拟。

本实施例提供的造波信号生成方法，通过全域内的目标波浪信息，直接求解造波信号，无须在频域内求解复杂的水动力传递函数，简化了传统方法繁琐冗长的推导计算过程，提高了计算效率，有效减少了造波板运动过程中的不协调现象，大幅简化了程序，增加了波浪物理模拟的稳定性和实效性。

实施例二

本实施例在上述实施例一的基础上，以生成线性规则波为例，详细说明造波信号生成方法的实现过程。本实施例提供的造波信号生成方法，同样应用于直线段分段造波单元和圆弧过渡段分段造波单元的L型造波机。为了便于描述，将两个直线段分段造波单元用短边分段造波单元和长边分段造波单元进行区分，其中，短边分段造波单元在初始位置时，平行于y轴；长边分段造波单元在初始位置时，平行于x轴。

图5示出了本实施例的造波信号生成方法的流程图。如图5所示，该方法包括如下步骤：

步骤S501，根据L型造波机的现场平面布置形式，建立初始状态坐标系，确定每个运动连轴在初始状态坐标系中的初始位置。

如图7所示，建立基于全域概念造波方法对于L型造波机的初始状态坐标系，确定每一个分段造波单元的每一个运动连轴的初始位置(x_i,y_i)。在本实施例中，运动连轴的初始位置(x_i,y_i)为：

短边分段造波单元：(x_i＝-R,y_i＝i*Δy)，0＜y_i＜L_y。

长边分段造波单元：(y_i＝-R,x_i＝i*Δx)，0＜x_i＜L_x。

圆弧过渡段分段造波单元：(-R＜x＜0，-R＜y＜0)。

式中：Δx表示沿x轴方向每块造波板对应的宽度，Δy表示沿y轴方向每块造波板对应的宽度。下标i表示空间步，即运动连轴的顺序号(i＝1,2,3,…)。R为圆弧过渡段的圆弧半径，L_y为短边造波单元的总长度，L_x为长边造波单元的总长度。

步骤S502，当用户输入的目标波浪类型为线性规则波时，根据用户输入的目标波浪参数，确定全域内目标波浪的波面表达式。此处的全域包括用于生成波浪的物理波浪域和由物理波浪域反向延伸得到的虚拟波浪域。

所述目标波浪类型有多种选择，用户可以根据试验目的和条件选择合适的目标波浪类型。例如，规则波可选择线性规则波、二阶Stokes规则波和椭圆余弦波等。当目标波浪类型为线性规则波时，目标波浪的波面表达式为：

其中，H为用户输入的目标波浪参数中的波高，k为根据用户输入的目标波浪参数确定的目标波浪的波数，ω为根据用户输入的目标波浪参数确定的圆频率，x、y分别为目标波浪的波面在的x坐标和y坐标，θ为目标波浪相对于x轴的波向角，或称波浪方向。

假定波浪方向为30°，上述目标波浪的波面表达式为：

其中，ω可以通过公式得到，T为根据用户输入的目标波浪参数确定的目标波浪的周期。

k可以通过如下波浪色散方程ω²＝gktanh(kh)确定，h为试验水深值，g为重力加速度，tanh为双曲正切函数。

步骤S503，根据目标波浪的波面表达式和用户输入的目标波浪参数，确定虚拟波浪域与物理波浪域交界处各个运动连轴位置的波浪信息。

根据步骤S502中得到的目标波浪的波面表达式和用户输入的目标波浪参数，可以确定虚拟波浪域与物理波浪域交界处各个运动连轴位置的波浪信息如下：

短边分段造波单元(x＝-R,0＜y＜L_y)：

长边分段造波单元(y＝-R,0＜x＜L_x)：

圆弧过渡段分段造波单元(-R＜x＜0,-R＜y＜0)：

其中，U为沿x轴的水深平均速度，V为沿y轴的水深平均速度。

步骤S504，根据波浪信息，通过求解运动连轴的运动离散方程，得到相应的造波信号。

得到各个运动连轴位置的波浪信息后，采用合适的离散方法对预先设定的运动连轴的运动微分方程进行离散，得到运动离散方程。离散方法有差分法，有限元法、有限差分法等。本实施例采用差分法进行，得到的离散方程如下：

短边分段造波单元(x＝-R,0＜y＜L_y)：

长边分段造波单元(y＝-R,0＜x＜L_x)：

圆弧过渡段分段造波单元(-R＜x<0,-R<y<0)：

式中，Δt表示时间步长。为短边造波单元上第j时刻第i个运动连轴的瞬时位置值，为短边造波单元上第j时刻第i个运动连轴处的x向水深平均速度值，为短边造波单元上第j时刻第i个运动连轴处的y向水深平均速度值，为长边造波单元上第j时刻第i个运动连轴的瞬时位置值，为长边造波单元上第j时刻第i个运动连轴处的x向水深平均速度值，为长边造波单元上第j时刻第i个运动连轴处的y向水深平均速度值，为圆弧过渡段造波单元上第j时刻第i个运动连轴的瞬时位置值，U^i,j为圆弧过渡段造波单元上第j时刻第i个运动连轴处的x向水深平均速度值，V^i,j为圆弧过渡段造波单元上第j时刻第i个运动连轴处的y向水深平均速度值。其中，U^i,j和V^i,j可通过如下公式计算得到：

短边分段造波单元(x＝-R,0<y<L_y)：

长边分段造波单元(y＝-R,0<x<L_x)：

圆弧过渡段分段造波单元(-R<x<0,-R<y<0)：

其中，t_j表示第j时刻，t_j＝j.Δt。

短边分段造波单元、长边分段造波单元及圆弧过渡段分段造波单元上的边界和初始条件可写为成以下形式：

通过上述公式，即可求解出短边分段造波单元、长边分段造波单元及圆弧过渡段分段造波单元上各运动连轴的运动值X_oy、X_ox和X_o。

步骤S505，输出造波信号，以控制L型造波机对波浪进行物理模拟。

输出造波信号至L型造波机的驱动电机，即可使驱动电机带动造波板在水池中模拟出所需要的线性规则波。

实施例三

本实施例在上述实施例一的基础上，以生成线性不规则波为例，详细说明造波信号生成方法的实现过程。本实施例提供的造波信号生成方法，应用于直线段分段造波单元和圆弧过渡段分段造波单元的L型造波机。为了便于描述，将两个直线段分段造波单元用短边分段造波单元和长边分段造波单元进行区分，其中，短边分段造波单元在初始位置时，平行于y轴；长边分段造波单元在初始位置时，平行于x轴。

图6示出了本实施例的造波信号生成方法的流程图。如图6所示，该方法包括如下步骤：

步骤S601，根据L型造波机的现场平面布置形式，建立初始状态坐标系，确定每个运动连轴在初始状态坐标系中的初始位置。

如图7所示，建立基于全域概念造波方法对于L型造波机的初始状态坐标系，确定每一个分段造波单元的每一个运动连轴的初始位置(x_i,y_i)。在本实施例中，运动连轴的初始位置(x_i,y_i)为：

短边分段造波单元：(x_i＝-R,y_i＝i*Δy)，0<y_i<L_y。

长边分段造波单元：(y_i＝-R,x_i＝i*Δx)，0<x_i<L_x。

圆弧过渡段分段造波单元：(-R<x<0，-R<y<0)。

式中：Δx表示沿x轴方向每块造波板对应的宽度，Δy表示沿y轴方向每块造波板对应的宽度。下标i表示空间步，即运动连轴的顺序号(i＝1,2,3,…)。R为圆弧过渡段的圆弧半径，L_y为短边造波单元的总长度，L_x为长边造波单元的总长度。

步骤S602，当用户输入的目标波浪类型为线性不规则波时，根据用户输入的目标波浪参数，确定全域内目标波浪的波面表达式。此处的全域包括用于生成波浪的物理波浪域和由物理波浪域反向延伸得到的虚拟波浪域。

所述目标波浪类型有多种选择，用户可以根据试验目的和条件选择合适的目标波浪类型。例如，单向不规则波可选择线性不规则波、二阶Stokes不规则波和高阶不规则波等。当目标波浪类型为线性不规则波时，目标波浪的波面表达式为：

其中，N为根据用户输入的目标波浪参数确定的目标不规则波的组成波的数量，a_m为根据用户输入的目标波浪参数确定的各组成波的幅值，k_m为根据用户输入的目标波浪参数确定的各组成波的波数，ω_m为根据用户输入的目标波浪参数确定的目标不规则波的各组成频率，ε_m为随机相位，是[0,2π]内均匀分布的随机数，x、y分别为目标波浪的波面的x坐标和y坐标，θ为目标波浪相对于x轴的波向角。

假定波浪方向为30°，上述目标波浪的波面表达式为：

其中，a_m可以由设定的目标波谱按公式进行确定。S(ω_m)为设定的目标波谱，本实施例可取改进的JONSWAP谱，Δω_m为频率划分间隔。k_m可以根据波浪色散方程h为水深值。

步骤S603，根据目标波浪的波面表达式和用户输入的目标波浪参数，确定虚拟波浪域与物理波浪域交界处各个运动连轴位置的波浪信息。

根据步骤S602中得到的目标波浪的波面表达式和用户输入的目标波浪参数，可以确定虚拟波浪域与物理波浪域交界处各个运动连轴位置的波浪信息如下：

短边分段造波单元(x＝-R,0<y<L_y)：

长边分段造波单元(y＝-R,0<x<L_x)：

圆弧过渡段分段造波单元(-R<x<0,-R<y<0)：

其中，U为沿x轴的水深平均速度，V为沿y轴的水深平均速度。

步骤S604，根据波浪信息，通过求解各个运动连轴的运动离散方程，得到相应的造波信号。

得到各个运动连轴位置的波浪信息后，采用合适的离散方法对预先设定的运动连轴运动微分方程进行离散，可得到运动离散方程。离散方法有差分法，有限元法、有限差分法等。本实施例采用差分法进行，得到的离散方程如下：

短边分段造波单元(x＝-R,0<y<L_y)：

长边分段造波单元(y＝-R,0<x<L_x)：

圆弧过渡段分段造波单元(-R<x<0,-R<y<0)：

式中，Δt表示时间步长。为短边造波单元上第j时刻第i个运动连轴的瞬时位置值，为短边造波单元上第j时刻第i个运动连轴处的x向水深平均速度值，为短边造波单元上第j时刻第i个运动连轴处的y向水深平均速度值，为长边造波单元上第j时刻第i个运动连轴的瞬时位置值，为长边造波单元上第j时刻第i个运动连轴处的x向水深平均速度值，为长边造波单元上第j时刻第i个运动连轴处的y向水深平均速度值，为圆弧过渡段造波单元上第j时刻第i个运动连轴的瞬时位置值，U^i,j为圆弧过渡段造波单元上第j时刻第i个运动连轴处的x向水深平均速度值，V^i,j为圆弧过渡段造波单元上第j时刻第i个运动连轴处的y向水深平均速度值。其中，U^i,j和V^i,j可通过如下公式计算得到：

短边分段造波单元(x＝-R,0<y<L_y)：

长边分段造波单元(y＝-R,0<x<L_x)：

圆弧过渡段分段造波单元(-R<x<0,-R<y<0)：

其中，t_j表示第j时刻，t_j＝j.Δt。

短边分段造波单元、长边分段造波单元及圆弧过渡段分段造波单元上的边界和初始条件可写为成以下形式：

通过上述公式，即可求解出短边分段造波单元、长边分段造波单元及圆弧过渡段分段造波单元上各运动连轴的运动值X_oy、X_ox和X_o。

步骤S605，输出造波信号，以控制L型造波机对波浪进行物理模拟。

输出造波信号至L型造波机的驱动电机，即可使驱动电机带动造波板在水池中模拟出所需要的线性不规则波。

本实施例采用“全域”的概念，即基于虚拟波浪域与物理波浪域联合的办法，利用虚拟波浪域内已知的目标波浪信息，直接求解得到造波信号。具有如下优点：

第一，利用虚拟波浪域与物理波浪域交界处已知的波浪实时过程，直接计算出造波信号，进而在物理波浪域内生成实际目标波浪，信号计算过程是利用波浪的时域过程直接求解，是一种时域的方法。无须在频域内求解复杂的水动力传递函数，只需提供物理造波边界处的波浪信息，可适应任何复杂的三维造波机和复杂的三维波浪，填补了国内外的相关技术空白。

第二，有效避免了传统“半域”方法繁琐冗长的推导计算过程，避免造波板运动过程中不协调现象，大幅简化了程序，增加了波浪物理模拟的稳定性和实效性。

第三，方法具有广泛可拓展性，可适应于线性规则波、非线性规则波、线性不规则波、非线性不规则波、单向波、多向波等，或其它任意谱型或波列的物理模拟。

实施例四

本实施例提供了一种与上述方法实施例相对应的造波信号生成装置，应用于L型造波机，该L型造波机包括沿储水装置相邻的两条边设置的直线段分段造波单元，以及连接两直线段分段造波单元的圆弧过渡段分段造波单元；所述直线段分段造波单元和所述圆弧过渡段分段造波单元均由多块造波板连接构成，相邻造波板之间通过运动连轴连接；所述运动连轴在驱动力作用下沿造波板连线的法线方向作往复运动。如图8所示，该造波信号生成装置包括：

坐标确定模块81，用于根据L型造波机的现场平面布置形式，建立初始状态坐标系，确定每个运动连轴在初始状态坐标系中的初始位置；

波面确定模块82，用于根据用户输入的目标波浪类型和目标波浪参数，确定全域内目标波浪的波面表达式；全域包括用于生成波浪的物理波浪域和由物理波浪域反向延伸得到的虚拟波浪域；

波浪信息确定模块83，用于根据目标波浪的波面表达式和用户输入的目标波浪参数，确定虚拟波浪域与物理波浪域交界处各个运动连轴位置的波浪信息；各个运动连轴位置的波浪信息包括各个运动连轴位置的水深平均速度；

造波信号生成模块84，用于根据波浪信息，通过求解运动连轴的运动离散方程，得到相应的造波信号；

造波信号输出模块85，用于输出造波信号，以控制L型造波机对波浪进行物理模拟。

本实施例提供的造波信号生成方法，通过全域内的目标波浪信息，直接计算造波信号，无须在频域内求解复杂的水动力传递函数，简化了传统方法繁琐冗长的推导计算过程，提高了计算效率，有效减少了造波板运动过程中的不协调现象，大幅简化了程序，增加了波浪物理模拟的稳定性和实效性。

实施例五

本实施例提供了一种与上述方法实施例相对应的L型造波机。如图9至图11所示，本发明实施例还提供了一种L型造波机，包括沿储水装置1相邻的两条边设置的直线段分段造波单元，以及连接两直线段分段造波单元的圆弧过渡段分段造波单元。如图9中所示的短边分段造波单元6、长边分段造波单元7和圆弧过渡段分段造波单元8。其中，直线段分段造波单元和圆弧过渡段分段造波单元均由多块造波板4连接构成，相邻造波板4之间通过运动连轴9连接。每个运动连轴9都与驱动电机连接，在驱动电机的驱动力作用下沿造波板连线的法线方向作往复运动。储水装置1可以是具有一定长度和宽度的水池。

其中，圆弧过渡段分段造波单元8的每块造波板均包括套板和子板。套板形成有用于容纳子板的内部空腔，套板的一端形成与内部空腔连通的开口。子板的一端嵌入在套板的内部空腔内，另一端从套板的开口处伸出。

套板和子板与运动连轴之间的连接均为活动连接。即套板和子板均可绕运动连轴转动。一种实现方式可以是：套板与运动连轴连接的一端设置有第一轴套，第一轴套套接在运动连轴上，从而使套板可绕运动连轴转动。子板与运动连轴连接的一端设置有第二轴套，第二轴套套接在运动连轴上。

该L型造波机还包括处理器和存储器，存储器和驱动电机均与处理器连接。存储器存储有能够被处理器执行的机器可执行指令，处理器执行所述机器可执行指令，以通过上述方法实施例中记载的造波信号生成方法，控制驱动电机驱动运动连轴和造波板运动，如图11所示，进行波浪的物理模拟。

本发明实施例提供的造波信号生成方法、装置和L型造波机具有相同的技术特征，所以也能解决相同的技术问题，达到相同的技术效果。

需要说明的是，在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露系统和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明提供的实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种L型造波机造波信号生成方法，其特征在于，所述L型造波机包括沿储水装置相邻的两条边设置的直线段分段造波单元，以及连接两直线段分段造波单元的圆弧过渡段分段造波单元；所述直线段分段造波单元和所述圆弧过渡段分段造波单元均由多块造波板连接构成，相邻造波板之间通过运动连轴连接；所述运动连轴在驱动力作用下沿造波板连线的法线方向作往复运动；所述方法包括：

根据L型造波机的现场平面布置形式，建立初始状态坐标系，确定每个所述运动连轴在所述初始状态坐标系中的初始位置；

根据用户输入的目标波浪类型和目标波浪参数，确定全域内目标波浪的波面表达式；所述全域包括用于生成波浪的物理波浪域和由所述物理波浪域反向延伸得到的虚拟波浪域；

根据所述目标波浪的波面表达式和用户输入的目标波浪参数，确定虚拟波浪域与物理波浪域交界处各个运动连轴位置的波浪信息；所述各个运动连轴位置的波浪信息包括各个运动连轴位置的水深平均速度；

根据所述波浪信息，通过求解运动连轴的运动离散方程，得到相应的造波信号；

输出所述造波信号，以控制所述L型造波机对波浪进行物理模拟。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，确定每个所述运动连轴在所述初始状态坐标系中的初始位置的步骤，包括：分别针对两个直线段分段造波单元和圆弧过渡段分段造波单元确定各个运动连轴在所述初始状态坐标系中的初始位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据用户输入的目标波浪类型和目标波浪参数，确定全域内目标波浪的波面表达式的步骤，包括：

当所述目标波浪类型为线性规则波时，目标波浪的波面表达式为：

其中，η(x,y,t)为波面方程，H为用户输入的目标波浪参数中的波高，k为根据用户输入的目标波浪参数确定的目标波浪的波数，ω为根据用户输入的目标波浪参数确定的圆频率，x、y分别为目标波浪的波面的x坐标和y坐标，θ为目标波浪相对于x轴的波向角。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据用户输入的目标波浪类型和目标波浪参数，确定全域内目标波浪的波面表达式的步骤，包括：

当所述目标波浪类型为线性不规则波时，目标波浪的波面表达式为：

其中，η(x,y,t)为波面方程，N为根据用户输入的目标波浪参数确定的目标不规则波的组成波的数量，a_m为根据用户输入的目标波浪参数确定的各组成波的幅值，k_m为根据用户输入的目标波浪参数确定的各组成波的波数，ω_m为根据用户输入的目标波浪参数确定的目标不规则波的各组成频率，ε_m为随机相位，是[0,2π]内均匀分布的随机数，x、y分别为目标波浪的波面的x坐标和y坐标，θ为目标波浪相对于x轴的波向角。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述波浪信息，通过求解运动连轴的运动离散方程，得到相应的造波信号的步骤，包括：

采用数值离散方法对预先设定的运动连轴运动微分方程进行离散，得到各个运动连轴的运动离散方程；

根据设定的初始条件和边界条件，结合运动连轴的运动离散方程，得到各个运动连轴相应的造波信号。

6.一种L型造波机造波信号生成装置，其特征在于，所述L型造波机包括沿储水装置相邻的两条边设置的直线段分段造波单元，以及连接两直线段分段造波单元的圆弧过渡段分段造波单元；所述直线段分段造波单元和所述圆弧过渡段分段造波单元均由多块造波板连接构成，相邻造波板之间通过运动连轴连接；所述运动连轴在驱动力作用下沿造波板连线的法线方向作往复运动；所述装置包括：

坐标确定模块，用于根据L型造波机的现场平面布置形式，建立初始状态坐标系，确定每个所述运动连轴在所述初始状态坐标系中的初始位置；

波面确定模块，用于根据用户输入的目标波浪类型和目标波浪参数，确定全域内目标波浪的波面表达式；所述全域包括用于生成波浪的物理波浪域和由所述物理波浪域反向延伸得到的虚拟波浪域；

波浪信息确定模块，用于根据所述目标波浪的波面表达式和用户输入的目标波浪参数，确定虚拟波浪域与物理波浪域交界处各个运动连轴位置的波浪信息；所述各个运动连轴位置的波浪信息包括各个运动连轴位置的水深平均速度；

造波信号生成模块，用于根据所述波浪信息，通过求解各个运动连轴的运动离散方程，得到相应的造波信号；

造波信号输出模块，用于输出所述造波信号，以控制所述L型造波机对波浪进行物理模拟。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述坐标确定模块，还用于：分别针对两个直线段分段造波单元和圆弧过渡段分段造波单元确定各个运动连轴在所述初始状态坐标系中的初始位置。

8.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述波面确定模块，还用于：

当所述目标波浪类型为线性规则波时，目标波浪的波面表达式为：

其中，η(x,y,t)为波面方程，H为用户输入的目标波浪参数中的波高，k为根据用户输入的目标波浪参数确定的目标波浪的波数，ω为根据用户输入的目标波浪参数确定的圆频率，x、y分别为目标波浪的波面的x坐标和y坐标，θ为目标波浪相对于x轴的波向角；

当所述目标波浪类型为线性不规则波时，目标波浪的波面表达式为：

其中，η(x,y,t)为波面方程，N为根据用户输入的目标波浪参数确定的目标不规则波的组成波的数量，a_m为根据用户输入的目标波浪参数确定的各组成波的幅值，k_m为根据用户输入的目标波浪参数确定的各组成波的波数，ω_m为根据用户输入的目标波浪参数确定的目标不规则波的各组成频率，ε_m为随机相位，是[0,2π]内均匀分布的随机数，x、y分别为目标波浪的波面的x坐标和y坐标，θ为目标波浪相对于x轴的波向角。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述造波信号生成模块，还用于：

采用数值离散方法对预先设定的运动连轴运动微分方程进行离散，得到各个运动连轴的运动离散方程；

根据设定的初始条件和边界条件，结合运动连轴的运动离散方程，得到各个运动连轴相应的造波信号。

10.一种L型造波机，其特征在于，包括沿储水装置相邻的两条边设置的直线段分段造波单元，以及连接两直线段分段造波单元的圆弧过渡段分段造波单元；所述直线段分段造波单元和所述圆弧过渡段分段造波单元均由多块造波板连接构成，相邻造波板之间通过运动连轴连接；每个运动连轴都与驱动电机连接，在所述驱动电机的驱动力作用下沿造波板连线的法线方向作往复运动；

所述造波机还包括处理器和存储器，所述存储器和所述驱动电机均与所述处理器连接；所述存储器存储有能够被所述处理器执行的机器可执行指令，所述处理器执行所述机器可执行指令，以通过权利要求1至7任一项所述的方法，控制所述驱动电机驱动所述运动连轴和造波板运动，进行波浪的物理模拟。