CN110939099B - 通过设置水下障碍物来改变水波传播方向的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种通过设置水下障碍物来改变水波传播方向的方法，包括：步骤1.依据目标水域水平跨度确定水下障碍物的底面尺寸；步骤2.确定水下障碍物具体形状；设定水下障碍物母线上的数据点的个数和分布位置，依据变换方程计算出半径与水深对应坐标值；将变化方程计算出的数据代入水下障碍物高度计算公式中，即可得到相应的水下障碍物母线上的数据点坐标值；根据数据点坐标数值绘制母线曲线，将该母线曲线绕中轴线旋转360°生成锥体，即得到水下障碍物的具体形状；步骤3.设置水下障碍物：基于步骤2的数据制作水下障碍物，然后将水下障碍物置于目标水域上游的水底，使经过水下障碍物的水面波浪传播方向偏转，保护目标水域少受波浪影响。
Description
技术领域
本发明属于水利科学与海洋工程技术领域，具体涉及一种通过设置水下障碍物来改变水波传播方向的方法。
技术背景
波浪可能造成岸滩侵蚀、危及行船安全和水上建筑物稳定，波浪的传播对水上漂浮物的聚集和水下动植物的生长也有较大影响。
水利工程中常采用修建实体、透空式、或者浮式防波堤的工程措施来保护岸坡。这种方式结构简单、施工方便，但是造价较高，并且影响景观和生态环境。随着人们生态保护意识的加强，种植防浪林也成为固滩护岸的一种趋势。这种方式具有成本低、工程量小、环境协调性好等优点，但是防浪林的成长需要较长的时间，实施难度较大。
针对波浪产生的船舶和涉水工作平台的摇摆，世界各国先后研究了近百种不同形式的减摇装置。对于船只，目前世界上广泛采用的是减摇水舱、舭龙骨和减摇鳍。其中减摇水舱和舭龙骨结构简单、费用较低，但减摇效果有限。目前居垄断地位的是减摇鳍，其减摇效果最佳，但是装置复杂，造价昂贵，一般只用于军船和一些对减摇要求非常高的船舶。
如果能直接规避波浪或者减弱波浪强度，则可以大幅降低岸堤保护和涉水设施减摇的难度。因此，研究如何有效改变和控制水波传播的路径具有重要的意义和广阔的应用前景。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的是提供一种通过设置水下障碍物来改变水波传播方向的方法，实施过程简单、方便，调控性能好，能够有效改变水面波浪传播方向，减弱波高幅度，进而削弱波浪强度，并且不影响景观和生态环境。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
本发明提供一种通过设置水下障碍物来改变水波传播方向的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.依据目标水域水平跨度L确定水下障碍物的底面尺寸：
如图1所示，水下障碍物在垂直水深方向的横截面均为同心圆，圆半径随水深方向变化，并且水下障碍物的底面半径为最大；
当仅采用一个水下障碍物时，水下障碍物的最大半径R为该水下障碍物目标水域水平跨度L的一半R＝L/2；如图2所示，当目标水域较宽，需要采用多个水下障碍物排列组合使用时，各个水下障碍物大小可以相同也可以不同，每个水下障碍物的大小依据施工条件、制模条件选择，水下障碍物的排列方式可视实际情况而定，需保证整个目标水域前方均有水下障碍物存在，所有水下障碍物排列后底面对目标水域的正投影尺寸之和应该为水下障碍物目标水域水平跨度L；
步骤2.确定水下障碍物具体形状：
水下障碍物为轴对称结构，确定其母线上数据点的坐标值可得到具体形状，母线为水下障碍物高度hz与半径r的关系函数；
设定水下障碍物母线上的数据点的个数和分布位置，依据以下变换方程计算出半径r与水深H对应坐标值：
式中，h表示当前水深，H表示水域的最大水深，r表示水下障碍物在水深为h处横截面的半径，R表示水下障碍物的最大半径，n0表示折射率；
水下障碍物高度hz计算公式为：
将变换方程计算出的数据代入hz计算公式中，即可得到相应的水下障碍物母线上的数据点坐标值；
根据数据点坐标数值绘制母线曲线，将该母线曲线绕中轴线旋转360°生成锥体，即得到水下障碍物的具体形状；
步骤3.设置水下障碍物
基于步骤2的数据制作水下障碍物，然后将水下障碍物置于目标水域上游的水底，使经过水下障碍物的水面波浪传播方向偏转，保护目标水域不受波浪影响。
优选地，本发明提供的通过设置水下障碍物来改变水波传播方向的方法，还可以具有以下特征：如图2(a)所示，当将N个最大半径R相同的水下障碍物排成一排来控制该水域上的波浪强度时，则每个障碍物的底半径R＝L/2N。
优选地，本发明提供的通过设置水下障碍物来改变水波传播方向的方法，还可以具有以下特征：在步骤2中，参数n0＝1.20。
优选地，本发明提供的通过设置水下障碍物来改变水波传播方向的方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，水下障碍物设置于目标水域上边界处。
优选地，本发明提供的通过设置水下障碍物来改变水波传播方向的方法，还可以具有以下特征：在步骤3中，采用3D打印技术制作水下障碍物。
发明的作用与效果
本发明所提供的通过设置水下障碍物来改变水波传播方向的方法，根据水域的具体情况来计算和确定水下障碍物的尺寸和形状，然后将水下障碍物设置在目标水域上游的水底，通过特殊形态的水下障碍物来改变水面波浪传播路径，减弱波高幅度，从而有效减弱波浪强度，规避或减弱波浪对目标区域内岸滩、桥墩、船体、水上工作平台等涉水建筑物产生的不良影响，降低消波减浪和减摇设施的要求，具有较广阔的应用前景。本方法应用条件简单，施工方便且不影响生态景观，在固滩护岸、涉水建筑物的保护等方面都有广阔的应用前景，具有较大的推广价值。
附图说明
图1为本发明涉及的通过设置水下障碍物来改变水波传播方向的示意图，其中(a)为横截面方向示意图，(b)为纵截面方向示意图；
图2为本发明涉及的多个水下障碍物组合使用时的典型排列方式示意图，其中(a)为排成一排的示意图，(b)为错位排列的示意图；
图3为本发明实施例一中涉及水下障碍物上方的水深分布曲线图；
图4为本发明实施例一中涉及的水下障碍物结构图，其中(a)为母线坐标图，(b)为三维模型图，(c)为实物图；
图5为本发明实施例一中涉及的水下障碍物对水波影响情况图；
图6为本发明实施例二中涉及的水下障碍物结构图，其中(a)为母线坐标图，(b)为三维模型图，(c)为实物图；
图7为本发明实施例二中涉及的水下障碍物对水波波高影响情况图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明涉及的通过设置水下障碍物来改变水波传播方向的方法的具体实施方案进行详细地说明。
<实施例一>
本实施例一中，流道宽20cm，长50cm，水深5cm，入射水波频率20Hz。
如图1所示，本实施例所提供的通过设置水下障碍物来改变水波传播方向的方法包括以下步骤：
步骤1.依据目标水域水平跨度L确定水下障碍物的底面尺寸：
水下障碍物在垂直水深方向的横截面均为同心圆，圆半径随水深方向变化，并且水下障碍物的底面半径为最大；
当仅采用一个水下障碍物时，水下障碍物的最大半径R为该水下障碍物目标水域水平跨度L的一半R＝L/2；当目标水域较宽，需要采用多个水下障碍物排列组合使用时，所有水下障碍物排列后底面对目标水域的正投影尺寸之和应该为水下障碍物目标水域水平跨度L；
步骤2.确定水下障碍物具体形状：
水下障碍物为轴对称结构，确定其母线上数据点的坐标值可得到具体形状，母线为水下障碍物高度hz与半径r的关系函数；将水深H和障碍物最大半径R代入基于Eaton透镜原理的h/H与r/R关系方程、障碍物高度hz与水深h的关系方程中；根据工程精度需求选取障碍物母线上控制点的个数，计算各数据点的具体坐标数值；
步骤2-1.设定水下障碍物母线上的数据点的个数和分布位置，依据障碍物上方水深无量纲数值的变换方程计算出半径r与水深h对应的坐标值：
式中，h表示当前水深，H表示水域的最大水深，r表示水下障碍物在水深为h处横截面的半径，R表示水下障碍物的最大半径，n0＝1.20；
设定障碍物母线上的控制数据点的个数和分布位置，则可以依据以上公式计算出不同位置对应的水深数值。
本实施例一中，依据流道尺寸可知最大水深H＝5cm。为了对比观测效果，选取流道中间10cm的区域为目标水域，因此选取障碍物的底部半径R＝5cm。这里仅以21个数据点作为代表，各数据点无量纲坐标值的计算结果如下表：
表1.实施例一中水下障碍物上方的无量纲水深数值
然后，如图3所示，基于这些数据点绘制水下障碍物上方的水深分布曲线。
从计算结果可以看出，该水下障碍物中心位置对应的水深为0，即该水下障碍物的顶点与水面相接，水下障碍物的最大高度等于水深的大小。
步骤2-2.障碍物上方的水深由水下障碍物的外表面形状决定，假设距圆形障碍物轴心距离为r处的水下障碍物高度为hz，则其计算公式为：
hz＝H-h，
因此各数据点对应的有量纲的坐标值计算公式为：
依据上一步得到的水深分布曲线，可以计算出相应的水下障碍物母线上的数据点坐标值。根据数据点坐标数值绘制如图4(a)所示的母线曲线，将该母线曲线绕z轴旋转360°生成锥体，即可得到障碍物的具体形状；
本实施例一中，得到的母线数据如下表2所示：
表2.实施例一中水下障碍物的母线数据示例
| 数据点 | r(cm) | hz(cm) | 数据点 | r(cm) | hz(cm) |
| 1 | 0.00 | 5.00 | 12 | 2.75 | 3.54 |
| 2 | 0.25 | 4.91 | 13 | 3.00 | 3.33 |
| 3 | 0.50 | 4.81 | 14 | 3.25 | 3.09 |
| 4 | 0.75 | 4.71 | 15 | 3.50 | 2.83 |
| 5 | 1.00 | 4.60 | 16 | 3.75 | 2.52 |
| 6 | 1.25 | 4.49 | 17 | 4.00 | 2.18 |
| 7 | 1.50 | 4.36 | 18 | 4.25 | 1.77 |
| 8 | 1.75 | 4.22 | 19 | 4.50 | 1.30 |
| 9 | 2.00 | 4.08 | 20 | 4.75 | 0.73 |
| 10 | 2.25 | 3.91 | 21 | 5.00 | 0.00 |
| 11 | 2.50 | 3.74 |
步骤3.设置水下障碍物
基于步骤2的数据利用3D打印等制模技术制作水下障碍物，然后将水下障碍物置于目标水域前方的水底，使经过水下障碍物的水面波浪传播方向偏转，保护目标水域少受波浪影响。
本实施例一中，实际上共选取了101个数据点，绘制了如图4(a)所示的较高精度的母线曲线，并在此基础上设计了如图4(b)所示的水下障碍物的三维模型图纸。为了节省打印材料，同时方便填充重物(例如黏土)让水下障碍物沉于水底，我们将三维模型内部进行了挖空处理。依此设计图纸，使用Onyx树脂材料，利用3D打印技术制作了如图4(c)所示的水下障碍物。
将此水下障碍物置于流道中，水波传播路径被改变，水下障碍物下游的水面波高减弱，水面波纹在水下障碍物影响下的效果如图5所示，水波从上方入射，从图中可以看出，水下障碍物下方区域的水纹不再明显，表明此区域内的波浪强度得到明显减弱。
<实施例二>
本实施例二中，流道宽2m，长16m，水深0.5m，入射的水波频率2.5Hz。
本实施例二采用的方法与实施例一中基本相同，在此仅对区别内容进行描述：
依据流道尺寸可知最大水深H＝0.5m。考虑到制模技术等限制，我们选取的水下障碍物底部半径R＝0.25m。
以取21个数据点为例，水下障碍物母线上各点的数据如下表3所示：
表3.实施例二中水下障碍物的母线数据示例
本实施例二中，如图6(a)所示，为水下障碍物母线曲线，并在此基础上设计了如图6(b)所示的水下障碍物的三维模型图纸，然后利用混凝土刮模制作了如图6(c)所示的水下障碍物。
将此水下障碍物置于流道中，利用波高仪测量了水下障碍物周围各处的平均波高，得到的波高分布如图7所示，平行水波从上方入射，在特殊形状水下障碍物的影响下，水表面波浪的传播路径被改变，水下障碍物下游水域的水波波高减弱。从数据可以看出，该区域的相对波高均明显减弱，说明水面波高确实得到有效控制。
以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的通过设置水下障碍物来改变水波传播方向的方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。
Claims (5)
1.一种通过设置水下障碍物来改变水波传播方向的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1.依据目标水域水平跨度L确定水下障碍物的底面尺寸：
水下障碍物在垂直水深方向的横截面均为同心圆，圆半径随水深方向变化，并且水下障碍物的底面半径为最大；
当仅采用一个水下障碍物时，水下障碍物的最大半径R为该水下障碍物目标水域水平跨度L的一半R＝L/2；当目标水域较宽，需要采用多个水下障碍物排列组合使用时，所有水下障碍物排列后底面对目标水域的正投影尺寸之和为水下障碍物目标水域水平跨度L；
步骤2.确定水下障碍物具体形状：
水下障碍物为轴对称结构，确定其母线上数据点的坐标值得到具体形状，母线为水下障碍物高度hz与半径r的关系函数；
设定水下障碍物母线上的数据点的个数和分布位置，依据以下变换方程计算出半径r与水深H对应坐标值：
式中，h表示当前水深，H表示水域的最大水深，r表示水下障碍物在水深为h处横截面的半径，R表示水下障碍物的最大半径，n0表示折射率；
水下障碍物高度hz计算公式为：
将变换方程计算出的数据代入hz计算公式中，得到相应的水下障碍物母线上的数据点坐标值；
根据数据点坐标数值绘制母线曲线，将该母线曲线绕中轴线旋转360°生成锥体，即得到水下障碍物的具体形状；
步骤3.设置水下障碍物
基于步骤2的数据制作水下障碍物，然后将水下障碍物置于目标水域上游的水底，使经过水下障碍物的水面波浪传播方向偏转，保护目标水域少受波浪影响。
2.根据权利要求1所述的通过设置水下障碍物来改变水波传播方向的方法，其特征在于：
其中，当将N个最大半径R相同的水下障碍物排成一排使用时，R＝L/2N。
3.根据权利要求1所述的通过设置水下障碍物来改变水波传播方向的方法，其特征在于：
其中，在步骤2中，参数n0＝1.20。
4.根据权利要求1所述的通过设置水下障碍物来改变水波传播方向的方法，其特征在于：
其中，在步骤3中，水下障碍物设置于目标水域上边界处。
5.根据权利要求1所述的通过设置水下障碍物来改变水波传播方向的方法，其特征在于：
其中，在步骤3中，采用3D打印技术制作水下障碍物。
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