CN109711005B - 一种无反射的波浪调控装置及设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无反射的波浪调控装置及设计方法，该装置在内径r_i以内区域结构的高度相同，在外径r_o处高度为0，在内径r_i和外径r_o之间区域结构高度渐变，在该高度渐变区域设置多个挡板形成沟槽。当该类圆台形的本体浸没于水中，并且在具有特定波长和频率的平面波入射时，平面波在该圆台结构周边几乎不发生反射，从而减少该类圆台形的本体周边的波能量损耗，进入到类圆台形的本体内部的波仍为平面波，同时波幅得到放大。

Description

一种无反射的波浪调控装置及设计方法

技术领域

本发明属于波浪理论和工程领域，尤其涉及一种无反射的波浪调控装置及设计方法。

背景技术

平面波在遇到固体结构时，总是会发生反射，造成在固体结构周边的波场发生错乱，不再保持平面波的特征。在以往的理论研究和实践中，一直没有有效的办法来消减波浪的反射、同时保持平面波的波场特征。如果能提出一种结构，能够显著消除固体结构周边的波浪反射，甚至于没有反射，则能够大幅度减少固体结构周边波能量的耗损，对于提高波浪能量的收集效率非常有价值。另外这种结构可以用于波场参数的测量，既能够获得结构所处波场的特征参数，又不会由于在波场中放置固体结构而影响波的传播。因此非常有必要发明和提出无反射的波浪调控装置及设计方法。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种无反射的波浪调控装置及设计方法，解决了波场调控的技术难题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：一种无反射的波浪调控装置，包括类圆台形的本体，本体的侧面为高度渐变曲面，该高度渐变曲面由曲线绕本体的旋转轴旋转一周而成；

本体侧面上沿圆周方向均匀布置多个挡板，且挡板沿本体径向放置，挡板沿径向起始于本体的下底面边缘，终止于本体的上底面边缘；相邻两个挡板与本体侧面之间形成沟槽；

当本体浸没于水中时，挡板的顶部高出水面，本体下底面所处的水深为h₀，本体上底面所处的水深为h_i＝h₀-H_i，H_i为本体的高度，本体上下底面之间的水深分布是渐变曲线，其函数记为h(r)；

给定曲线处的折射率分布n(r)，可求得渐变水深为h(r)＝h₀/n(r)²；

n(r)的取值满足以下两个条件：

第一条件：平面波通过沟槽的路程是入射波半波长的整数倍，即：

第二条件：沟槽前后的折射率满足波场压缩的条件以及阻抗匹配条件，即：

其中，r_i为本体的上底面半径，r_o为本体的下底面半径，n_i、n_o分别为本体的上底面r_i处和本体的下底面r_o处的折射率，n_o＝1，

λ为平面波的波长，m为正整数。

进一步的，所述

计算得到：

进一步的，所述

计算得：

本发明的另一目的是提供一种无反射的波浪调控装置的设计方法，包括如下步骤：

(1)取一类圆台形的本体，本体的侧面为高度渐变曲面，该高度渐变曲面由曲线绕本体的旋转轴旋转一周而成；

(2)在本体侧面上沿圆周方向均匀布置多个挡板，且挡板沿本体径向放置，挡板沿径向起始于本体的下底面边缘，终止于本体的上底面边缘；相邻两个挡板与本体侧面之间形成沟槽；

(3)将本体浸没于水中时，此时挡板的顶部高出水面，本体下底面所处的深度为h₀，本体上底面所处的深度为h_i＝h₀-H_i，H_i为本体的高度，本体上下底面之间的水深分布是渐变曲线，其函数记为h(r)；

(4)给定曲线处的折射率分布n(r)，n(r)的取值满足以下两个条件：

第一条件：平面波通过沟槽的路程是入射波半波长的整数倍，即：

第二条件：沟槽前后的折射率满足波场压缩的条件以及阻抗匹配条件，即：

其中，r_i为本体的上底面半径，r_o为本体的下底面半径，n_i、n_o分别为本体的上底面r_i处和本体的下底面r_o处的折射率，n_o＝1，

λ为平面波的波长，m为正整数；

(5)给定曲线处的折射率分布n(r)，可求得渐变水深为h(r)＝h₀/n(r)²，至此获得所有波浪调控装置的结构参数。

进一步的，所述

计算得到：

进一步的，所述

计算得：

以上未详细描述的内容为本领域技术人员公知的现有技术。

本发明的有益效果如下：(1)经过设计后，圆台结构在具有特定的波长和频率的平面波入射时，能够实现几乎无反射波；(2)圆台结构的周边仍保持平面波，圆台结构的内部的平面波波幅得到放大；(3)提出了实现这种功能的设计方法，而且该方法具有一定的可拓展性和灵活性，可以设计出多种满足要求的圆台结构参数、水深参数和折射率参数。

附图说明

图1为本发明的波浪调控装置的俯视图；

图2为本发明的波浪调控装置的半剖图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1：

(1)取一类圆台形的本体，类圆台形的本体的上底面外径为r_o＝70mm，下底面内径为r_i＝35mm，本体的高度为H_i＝6mm，本体的侧面为高度渐变曲面，该高度渐变曲面由曲线绕本体的旋转轴旋转一周而成，如图1所示；

(2)在本体侧面上沿圆周方向均匀布置50个厚度为1mm的挡板，且挡板沿本体径向放置，挡板沿径向起始于本体的下底面边缘，终止于本体的上底面边缘；相邻两个挡板与本体侧面之间形成沟槽；

(3)将本体浸没于水中时，此时挡板的顶部高出水面，本体下底面所处的深度为h₀，h₀＝8mm；本体上底面所处的深度为h_i＝h₀-H_i＝8mm-6mm＝2mm，本体上下底面之间的水深分布是渐变曲线，其函数记为h(r)，如图2所示；

(4)给定曲线处的折射率分布n(r)，n(r)的取值满足以下两个条件：

第一条件：平面波通过沟槽的路程是入射波半波长的整数倍，即：

第二条件：沟槽前后的折射率满足波场压缩的条件以及阻抗匹配条件，即：

其中，r_i为本体的上底面半径，r_i＝35mm；r_o为本体的下底面半径，r_o＝70mm；n_i、n_o分别为本体的上底面r_i处和本体的下底面r_o处的折射率，n_o＝1，

λ为平面波的波长，m为正整数；

(5)给定曲线处的折射率分布n(r)，可求得渐变水深为h(r)＝h₀/n(r)²，至此获得所有波浪调控装置的结构参数。

满足上述两个条件的

计算得到：

经计算，在r_o＝70mm处沟槽宽度为7.80mm，同理，对应r_i＝35mm处沟槽宽度为3.40mm。

根据

当取m＝2时，平面波的波长λ＝52.5mm，当m＝3时平面波的波长λ＝35mm，以及m＝4时平面波的波长λ＝26.25mm。当具有这些波长的平面波入射到该类圆台形的本体上时，能够发现：类圆台形的本体周边仍保持平面波，几乎没有反射；类圆台形的本体上底面区域仍保持为平面波；根据入射波波幅的不同，类圆台形的本体上底面区域的平面波波幅可以放大。

实施例2：

(1)取一类圆台形的本体，类圆台形的本体的上底面外径为r_o＝428.88mm，下底面内径为r_i＝247.61mm，本体的高度为H_i＝66.67mm，本体的侧面为高度渐变曲面，该高度渐变曲面由曲线绕本体的旋转轴旋转一周而成；

(2)在本体侧面上沿圆周方向均匀布置50个厚度为0.5mm的挡板，且挡板沿本体径向放置，挡板沿径向起始于本体的下底面边缘，终止于本体的上底面边缘；相邻两个挡板与本体侧面之间形成沟槽；

(3)将本体浸没于水中时，此时挡板的顶部高出水面，本体下底面所处的深度为h₀，h₀＝100mm；本体上底面所处的深度为h_i＝h₀-H_i＝100mm-66.67mm＝33.33mm，本体上下底面之间的水深分布是渐变曲线，其函数记为h(r)；

(4)给定曲线处的折射率分布n(r)，n(r)的取值满足以下两个条件：

第一条件：平面波通过沟槽的路程是入射波半波长的整数倍，即：

第二条件：沟槽前后的折射率满足波场压缩的条件以及阻抗匹配条件，即：

其中，r_i为本体的上底面半径，r_i＝247.61mm；r_o为本体的下底面半径，r_o＝428.88mm；n_i、n_o分别为本体的上底面r_i处和本体的下底面r_o处的折射率，n_o＝1，

λ为平面波的波长，m为正整数；

(5)给定曲线处的折射率分布n(r)，可求得渐变水深为h(r)＝h₀/n(r)²，至此获得所有波浪调控装置的结构参数。

满足上述两个条件的

计算得到：

经计算，在r_o＝428.88mm处沟槽宽度为53.4mm，同理，对应r_i＝247.61mm处沟槽宽度为30.6mm。根据

当取m＝1时平面波的波长λ＝0.507m。当具有这些波长的平面波入射到该类圆台形的本体上时，能够发现：类圆台形的本体周边仍保持平面波，几乎没有反射；类圆台形的本体上底面区域仍保持为平面波；根据入射波波幅的不同，类圆台形的本体上底面区域的平面波波幅可以得到放大。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种无反射的波浪调控装置，其特征在于，包括类圆台形的本体，本体的侧面为高度渐变曲面，该高度渐变曲面由曲线绕本体的旋转轴旋转一周而成；

本体侧面上沿圆周方向均匀布置多个挡板，且挡板沿本体径向放置，挡板沿径向起始于本体的下底面边缘，终止于本体的上底面边缘；相邻两个挡板与本体侧面之间形成沟槽；

当本体浸没于水中时，挡板的顶部高出水面，本体下底面所处的水深为h₀，本体上底面所处的水深为h_i＝h₀-h_i，H_i为本体的高度，本体上下底面之间的水深分布是渐变曲线，其函数记为h(r)；

给定曲线处的折射率分布n(r)，可求得渐变水深为h(r)＝h₀/n(r)²；

n(r)的取值满足以下两个条件：

第一条件：平面波通过沟槽的路程是入射波半波长的整数倍，即：

第二条件：沟槽前后的折射率满足波场压缩的条件以及阻抗匹配条件，即：

其中，r_i为本体的上底面半径，r_o为本体的下底面半径，n_i、n_o分别为本体的上底面r_i处和本体的下底面r_o处的折射率，

λ为平面波的波长，m为正整数；

所述

计算得：

2.一种无反射的波浪调控装置的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)取一类圆台形的本体，本体的侧面为高度渐变曲面，该高度渐变曲面由曲线绕本体的旋转轴旋转一周而成；

(2)在本体侧面上沿圆周方向均匀布置多个挡板，且挡板沿本体径向放置，挡板沿径向起始于本体的下底面边缘，终止于本体的上底面边缘；相邻两个挡板与本体侧面之间形成沟槽；

(3)将本体浸没于水中时，此时挡板的顶部高出水面，本体下底面所处的深度为h₀，本体上底面所处的深度为h_i＝h₀-H_i，H_i为本体的高度，本体上下底面之间的水深分布是渐变曲线，其函数记为h(r)；

(4)给定曲线处的折射率分布n(r)，n(r)的取值满足以下两个条件：

第一条件：平面波通过沟槽的路程是入射波半波长的整数倍，即：

第二条件：沟槽前后的折射率满足波场压缩的条件以及阻抗匹配条件，即：

其中，r_i为本体的上底面半径，r_o为本体的下底面半径，n_i、n_o分别为本体的上底面r_i处和本体的下底面r_o处的折射率，n_o＝1，

λ为平面波的波长，m为正整数；

(5)给定曲线处的折射率分布n(r)，可求得渐变水深为h(r)＝h₀/n(r)²，至此获得所有波浪调控装置的结构参数；

所述

计算得：

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