CN111256948A - 一种三维耦合测控装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种三维耦合测控装置及方法，所述装置包括：造波机、两端进出水口、实验区域、蓄水池、水位测量仪、波高仪、工控计算机、变频器和双向泵电机；工控计算机根据水位测量仪检测的水位变化生成水位调节指令发送至变频器，以使变频器根据水位调节指令控制双向泵电机的转速和转向，进而通过两端进出水口将试验区域内的水抽排至蓄水池，使试验区域的水位达到设定水位；还根据波高仪检测的模拟结果对离散的多个造波文件进行自动迭代修正与拼接，并将处理后的造波文件发送至所述造波机，以使造波机根据处理后的造波文件进行造波，使试验区域的水位达到设定波高和设定周期。本发明能够实现实验室模拟波浪、潮汐和风暴潮三维耦合实验。

Description

一种三维耦合测控装置及方法

技术领域

本发明涉及海岸工程物理模型实验技术领域，特别是涉及一种三维耦合测控装置及方法。

背景技术

目前，国内已存在二维水槽中风暴潮、波浪动态耦合的模拟方法(陈茂雯,潘军宁,王登婷,等.波浪与潮汐耦合模拟技术研究[J].水运工程,2019,551(01):38-43.)，实验中将连续的风暴潮水位变化过程与加密离散后的波浪过程进行叠加，利用水槽造波机和尾门生潮设备连续生潮造波，在实验室二维水槽中实现了水位和波浪的同步变化，实现了波浪与潮汐的动态耦合模拟。上述模拟方法不能真实地反应波浪与海岸建筑物之间的三维相互作用机理，具有一定的应用局限性，不能较好地、全面地解决实际问题。

由于三维港池场地往往较大，若在三维港池中采用尾门生潮设备，尾门数量及规模将明显增加，导致造价过高；且控制流量增减所需尾门开启度变化幅度较大，导致模拟精度不够。

国外三维港池试验中采用的风暴潮水位过程线是呈阶梯型而不是连续变化的，与实际风暴潮作用过程有所不同。试验中采用的风暴潮水位过程线呈阶梯型而不是连续变化的，水位每1.5或3小时变化一次，每次变化0.1m，这与实际风暴潮、波浪对海堤的作用过程有明显不同。2018年，荷兰三角洲研究院Van Gent在实验室三维港池中对风暴潮固定水位与斜向浪进行耦合，并探究耦合情况下海堤的冲刷情况，试验结果显示波浪的倾斜角度会影响海堤护面块体的冲刷深度，对于较大的波角，侵蚀量减少，垂向波最大。由此可以看出，风暴潮期间的水位变化对海堤的破坏以及堤前冲刷淤积作用都起着重要的作用，实验现象与传统固定水位作用时有较大差异。同时，波浪的倾斜角度也会显著影响试验结果。

二维水槽试验相较于三维港池试验存在的主要问题是：

1、由于波浪的斜向入射、浅水变形、折射和绕射等现象，部分区域或部位(如堤头段、拐角段、地形变化较大段)会呈现出复杂的三维水动力特性，二维水槽中只能考虑波浪正向作用，不能反映斜向入射时带来的波浪三维水动力特性，与现实情况存在差异，存在安全隐患。

2、波浪在复杂地形上破碎变形的随机性很大，防波堤在礁盘地形下的稳定性有明显降低，二维水槽中不能反映实际工程区域附近的地形变化，因此不能较好地反映波浪与三维地形尤其是复杂地形条件下的传播变形情况。

3、二维水槽中不能全面地反映海堤溃决后波浪在后方三维陆域上的传播，不能体现洪水涌入、传播和退却的真实全过程，不能对受灾全过程进行全面仿真模拟。

此外，实验室中对波浪和水位组合的传统模拟方法为在固定水位条件下叠加波浪，一般根据规范(《波浪模型试验规程》(JTJ/T 234-2001)、《港口及航道水文规范》(JTS145-2015)等)取多个设计水位与设计波浪的组合进行研究，这与实际的连续的水位及波浪变化过程存在一定差异，不能全面、准确地模拟出真实的风暴潮期间水位变化情况以及对应的波浪条件。因此传统的固定水位条件下叠加波浪的模拟方法存在的主要问题是：

1、水位的选取数量有限，不能保证包含对实际工程最不利的水位，存在工程安全隐患。

2、在实际风暴潮过程中，高水位的作用时间往往较短，传统试验方法用于高水位时过于保守，提高了工程造价，造成了不必要的资源浪费。

3、模拟水位变化过程与实际不符，不能反映风暴潮与海堤等海岸建筑物的真实作用及破坏过程。

综上所述，如何考虑波浪的折射、绕射、反射和浅水变形等三维水动力现象，考虑风暴潮期间由潮汐和风暴潮引起的连续水位变化情况以及对应的波浪条件，进行波浪、潮汐、风暴潮动态耦合条件下海岸建筑物的响应、致灾过程的三维特性研究，具有重要的学术意义和应用价值，是十分必要的。

发明内容

基于此，本发明的目的是提供一种三维耦合测控装置及方法，以实现模拟波浪、潮汐和风暴潮三维耦合实验。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种三维耦合测控装置，所述装置包括：

造波机、两端进出水口、实验区域、蓄水池、水位测量仪、波高仪、工控计算机、变频器和双向泵电机；

所述造波机对应所述试验区域设置，所述水位测量仪、所述波高仪和所述双向泵电机均设置在所述实验区域内；

所述造波机、所述水位测量仪和所述波高仪分别与所述工控计算机连接，所述工控计算机通过所述变频器与所述双向泵电机连接，所述双向泵电机与所述两端进出水口连接；

所述实验区域用于模拟波浪、潮汐和风暴潮三维耦合实验；

所述工控计算机根据所述水位测量仪检测的水位变化生成水位调节指令，并发送至所述变频器，以使所述变频器根据所述水位调节指令控制所述双向泵电机的转速和转向，进而通过所述两端进出水口将所述试验区域内的水抽排至所述蓄水池，使所述试验区域的水位达到设定水位；所述设定水位为风暴潮期间实际连续水位变化过程中时刻变化的水位；

所述工控计算机根据所述波高仪检测的模拟结果对离散的多个造波文件进行自动迭代修正与拼接，并将处理后的所述造波文件发送至所述造波机，以使所述造波机根据处理后的所述造波文件进行造波，使所述试验区域的水位达到设定波高和设定周期；所述模拟结果包括波浪高度与周期。

可选的，所述装置还包括：

隔墙，用于将所述试验区域与所述蓄水池隔离。

可选的，所述装置还包括：

流速传感器，设置在所述两端进出水口处，用于检测并显示所述两端进出水口处的水流速度。

可选的，所述装置还包括：

在所述两端进出水口处设置的多个分支分流，用于实现多条支路分流。

可选的，所述装置还包括：

在所述两端进出水口处分别设置消能格栅，用于降低流速。

本发明提供一种三维耦合测控方法，所述方法应用于上述的装置，所述方法包括：

步骤S1：利用水位测量仪实时获取模拟过程中的水位变化；

步骤S2：根据所述水位测量仪检测的水位变化生成水位调节指令，并发送至变频器，以使所述变频器根据所述水位调节指令控制双向泵电机的转速和转向，进而通过两端进出水口将试验区域内的水抽排至蓄水池，使所述试验区域的水位达到设定水位；

步骤S3：利用波高仪实时获取模拟过程中的模拟结果；所述模拟结果包括波浪高度与周期；

步骤S4：根据所述波高仪检测的模拟结果对离散的多个造波文件进行自动迭代修正与拼接，并将处理后的所述造波文件发送至造波机，以使所述造波机根据处理后的所述造波文件进行造波，使所述试验区域的水位达到设定波高和设定周期。

可选的，步骤S2包括：

步骤S21：根据所述水位测量仪检测的水位变化与设定水位进行比较，获得水位差值，并根据所述水位差值计算流量差值，根据流量差值生成水位调节指令发送给所述变频器，以使所述变频器根据所述水位调节指令控制所述双向泵电机的转速和转向，进而通过所述两端进出水口将所述试验区域内的水抽排至所述蓄水池，使所述试验区域的水位达到设定水位。

可选的，步骤S21包括：

判断流量差值与设定流量差值范围的关系；如果流量差值大于设定流量差值范围的最大值时，则生成第一水位调节指令，并发送至所述变频器，以使所述变频器根据所述第一水位调节指令控制所述双向泵电机的转速；如果流量差值在设定流量差值范围内，则生成第二水位调节指令，并发送至所述变频器，以使所述变频器根据所述第二水位调节指令控制所述双向泵电机的转速；如果流量差值小于设定流量差值范围的最小值且大于零，则生成第三水位调节指令，并发送至所述变频器，以使所述变频器根据所述第三水位调节指令控制所述双向泵电机的转速。

可选的，步骤S21还包括：

判断所述水位差值是否为正；如果所述水位差值为正，则通过所述变频器控制所述双向泵电机正转，以使将所述试验区域的水抽到所述蓄水池内；如果所述水位差值为负，则通过所述变频器控制所述双向泵电机反转，以使将所述蓄水池中的水抽到所述试验区域；

或判断所述流量差值是否为正；如果所述流量差值为正，则通过所述变频器控制所述双向泵电机正转，以使将所述试验区域的水抽到所述蓄水池内；如果所述流量差值为负，则通过所述变频器控制所述双向泵电机反转，以使将所述蓄水池中的水抽到所述试验区域。

可选的，步骤S4包括：

步骤S41：判断所述波高仪检测的波浪高度是否大于设定波高；如果所述波浪高度大于设定波高，则将所述造波文件中的波列进行整体缩小，或将所述造波文件中的部分大波高进行缩小；如果所述波浪高度小于设定波高，则将所述造波文件中的波列进行整体放大，或将所述造波文件中的部分小波高进行放大；将波高大于设定波高的称为所述大波高，将波高小于设定波高的称为所述小波高；

步骤S42：判断所述周期是否大于平均设定周期；如果所述周期大于平均设定周期，则减小所述造波文件中的周期，即加快控制所述造波机的运动频率；如果所述周期小于平均设定周期，则加大所述造波文件中的周期，即减慢控制所述造波机的运动频率；

步骤S43：将步骤S42获得的多个所述造波文件进行改写和无缝拼接，并将处理后的所述造波文件发送至所述造波机，以使所述造波机根据处理后的所述造波文件进行造波，使所述试验区域的水位达到设定波高和设定周期。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明公开一种三维耦合测控装置及方法，所述装置包括：造波机、两端进出水口、实验区域、蓄水池、水位测量仪、波高仪、工控计算机、变频器和双向泵电机；工控计算机根据水位测量仪检测的水位变化生成水位调节指令发送至变频器，以使变频器根据水位调节指令控制双向泵电机的转速和转向，进而通过两端进出水口将试验区域内的水抽排至蓄水池，使试验区域的水位达到设定水位；还根据波高仪检测的模拟结果对离散的多个造波文件进行自动迭代修正与拼接，并将处理后的造波文件发送至所述造波机，以使造波机根据处理后的造波文件进行造波，使试验区域的水位达到设定波高和设定周期。本发明能够实现实验室模拟波浪、潮汐和风暴潮三维耦合实验。

附图说明

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

图1为本发明实施例三维耦合测控装置结构图；

图2为本发明实施例风暴潮期间实际连续水位变化过程和波浪变化过程示意图；

图3为本发明实施例模拟时段内风暴潮水位变化过程和波浪变化过程离散图；

图4为本发明实施例叠加波浪后风暴潮期间水位过程模拟结果与设定水位对比图；

图5为本发明实施例波浪、潮汐、风暴潮动态耦合后有效波高和平均周期模拟结果与实际目标过程对比图。

其中，1、造波机，2、进出水口，3、试验区域，4、蓄水池，5、隔墙，6、水位测量仪，7、波高仪，8、双向泵电机，9、变频器，10、工控计算机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

本发明的目的是提供一种三维耦合测控装置及方法，以实现模拟波浪、潮汐和风暴潮三维耦合实验。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

搜集工程区相关资料，如工程区水下及陆域三维地形、工程区水动力资料等，以便进行考虑波浪斜向入射、折射、绕射、反射和浅水变形等三维水动力现象的模型试验；模型轴线与波浪传播方向呈一定角度即可体现波浪斜向入射；水下地形崎岖不平、有高有低，即可体现波浪折射现象；试验区域模型两侧的绕流即为波浪绕射现象，模型前侧对波浪的阻挡为波浪反射现象；水下地形由深水区域向浅水区域变浅，波浪在传播过程中发生的变形为波浪浅水变形。这些现象都无法在水槽试验中进行，因为水槽试验是二维的，只能反映二维水动力现象，所以只能在三维港池试验中进行。

实验过程中，由于风暴潮过程持续时间往往较长，有时可达100小时以上，无需模拟其变化的全过程。应根据研究目的选定模拟区域，一般取对工程设计影响较大的时间段(水位较高、波高较大、周期较长)及波浪作用方向(一个或多个)进行模拟。

模拟波浪过程时，需针对选定区域及选定波浪作用方向，所述工控计算机10将波浪变化过程和对应的风暴潮期间实际连续水位变化过程进行离散化处理获得造波文件，所述造波文件为一条曲线的特征。原则上离散的造波文件长度越密越好(目标曲线与离散得到的直线的误差越小)；但根据规范(《波浪模型试验规程》(JTJ/T 234-2001))需包含足够的波浪数量(大于120个)，因此离散的造波文件长度不能过密，要保证单个离散时间内包含足够的波浪数量，需保证单个造波时间段内风暴潮水位及波浪条件基本不变。图2为本发明实施例风暴潮期间实际连续水位变化过程和波浪变化过程示意图，图2中(a)为风暴潮期间实际连续水位变化过程示意图，图2中(b)为风暴潮期间实际连续波浪变化过程示意图，图2中(c)为风暴潮期间平均周期示意图；图3为本发明实施例模拟时段内风暴潮水位变化过程和波浪变化过程离散图，图3中(a)为模拟时段内风暴潮水位变化过程离散图，图3中(b)为模拟时段内风暴潮波浪变化过程离散图，图3中(c)为模拟时段内风暴潮平均周期示意图。

图1为本发明实施例三维耦合测控装置结构图，如图1所示，本发明公开一种三维耦合测控装置，所述装置包括：

造波机1、两端进出水口2、实验区域、蓄水池4、水位测量仪6、波高仪7、工控计算机10、变频器9和双向泵电机8；所述造波机1对应所述试验区域3设置，所述水位测量仪6、所述波高仪7和所述双向泵电机8均设置在所述实验区域内；所述造波机1、所述水位测量仪6和所述波高仪7分别与所述工控计算机10连接，所述工控计算机10通过所述变频器9与所述双向泵电机8连接，所述双向泵电机8与所述两端进出水口2连接；

所述实验区域用于模拟波浪、潮汐和风暴潮三维耦合实验。

所述工控计算机10根据所述水位测量仪6检测的水位变化生成水位调节指令，并发送至所述变频器9，以使所述变频器9根据所述水位调节指令控制所述双向泵电机8的转速和转向，进而通过所述两端进出水口2将所述试验区域3内的水抽排至所述蓄水池4，使所述试验区域3的水位达到设定水位；所述设定水位为风暴潮期间实际连续水位变化过程中时刻变化的水位。

所述工控计算机10根据所述波高仪7检测的模拟结果对离散的多个造波文件进行自动迭代修正与拼接，并将处理后的所述造波文件发送至所述造波机1，以使所述造波机1根据处理后的所述造波文件进行造波，使所述试验区域3的水位达到设定波高和设定周期；所述模拟结果包括波浪高度与周期。

作为一种实施方式，本发明所述装置还包括：隔墙5，用于将所述试验区域3与所述蓄水池4隔离。

作为一种实施方式，本发明所述装置还包括：流速传感器，设置在所述两端进出水口2处，用于检测并显示所述两端进出水口2处的水流速度。

作为一种实施方式，本发明所述装置还包括：在所述两端进出水口2处设置的多个分支分流，用于实现多条支路分流。

作为一种实施方式，本发明所述装置还包括：在所述两端进出水口2处分别设置消能格栅，用于降低流速。

作为一种实施方式，本发明所述设定水位为风暴潮期间实际连续水位变化过程中时刻变化的水位；所述设定波高为风暴潮期间实际连续波高变化过程中时刻变化的波高；所述设定周期为风暴潮期间实际连续变化过程中的时间。

必要时可通过水动力计算软件计算得到模拟区域的风暴潮期间实际连续水位变化和风暴潮期间实际连续不同方向波高变化，如有效波高Hs、平均周期Tm和谱峰周期Tp。

所述工控计算机10根据所述水位测量仪6检测的水位变化生成水位调节指令，并发送至所述变频器9，以使所述变频器9根据所述水位调节指令控制所述双向泵电机8的转速和转向，进而通过所述两端进出水口2将所述试验区域3内的水抽排至所述蓄水池4，使所述试验区域3的水位达到设定水位；所述设定水位为风暴潮期间实际连续水位变化过程中时刻变化的水位。

具体为，所述水位测量仪6实时采集模拟过程中的水位变化，并发送至所述工控计算机10；所述工控计算机10根据所述水位测量仪6检测的水位变化与设定水位进行比较，获得水位差值△L，并根据所述水位差值△L计算流量差值△Q，根据流量差值△Q生成水位调节指令发送给所述变频器9，以使所述变频器9根据所述水位调节指令控制所述双向泵电机8的转速和转向，进而通过所述两端进出水口2将所述试验区域3内的水抽排至所述蓄水池4，使所述试验区域3的水位达到设定水位。

进一步为，根据流量差值△Q生成水位调节指令发送给所述变频器9，以使所述变频器9根据所述水位调节指令控制所述双向泵电机8的转速和转向，具体步骤为：

当水位差值△L越大，说明需要补偿的流量差值△Q越大，因此本发明所述工控计算机10判断流量差值△Q与设定流量差值的关系；如果流量差值△Q大于设定流量差值范围的最大值时，则所述工控计算机10生成第一水位调节指令，并发送至所述变频器9，以使所述变频器9根据所述第一水位调节指令控制所述双向泵电机8的转速；如果流量差值△Q在设定流量差值范围内，则所述工控计算机10生成第二水位调节指令，并发送至所述变频器9，以使所述变频器9根据所述第二水位调节指令控制所述双向泵电机8的转速；如果流量差值△Q小于设定流量差值范围的最小值且大于零，则所述工控计算机10生成第三水位调节指令，并发送至所述变频器9，以使所述变频器9根据所述第三水位调节指令控制所述双向泵电机8的转速。

所述工控计算机10判断所述水位差值△L是否为正；如果所述水位差值△L为正，说明所述试验区域3水位高于设定水位，则通过所述变频器9控制所述双向泵电机8正转，以使将所述试验区域3的水抽到所述蓄水池4内；如果所述水位差值△L为负，说明试验区域3水位低于设定水位，则通过所述变频器9控制所述双向泵电机8反转，以使将所述蓄水池4中的水抽到所述试验区域3；

或者所述工控计算机10判断所述流量差值△Q是否为正；如果所述流量差值△Q为正，说明所述试验区域3水位高于设定水位，则通过所述变频器9控制所述双向泵电机8正转，以使将所述试验区域3的水抽到所述蓄水池4内；如果所述流量差值△Q为负，说明试验区域3水位低于设定水位，则通过所述变频器9控制所述双向泵电机8反转，以使将所述蓄水池4中的水抽到所述试验区域3。

所述工控计算机10根据所述波高仪7检测的模拟结果对离散的多个造波文件进行自动迭代修正与拼接，并将处理后的所述造波文件发送至所述造波机1，以使所述造波机1根据处理后的所述造波文件进行造波，使所述试验区域3的水位达到设定波高和设定周期；所述模拟结果包括波浪高度与周期。

具体为，所述波高仪7实时检测模拟过程中的模拟结果，并发送至所述工控计算机10；所述工控计算机10判断所述波高仪7检测的波浪高度是否大于设定波高；如果所述波浪高度大于设定波高，则将所述造波文件中的波列进行整体缩小，或将所述造波文件中的部分大波高进行缩小；如果所述波浪高度小于设定波高，则将所述造波文件中的波列进行整体放大，或将所述造波文件中的部分小波高进行放大；将波高大于设定波高的称为所述大波高，将波高小于设定波高的称为所述小波高；所述工控计算机10判断所述周期是否大于平均设定周期；如果所述周期大于平均设定周期，则减小所述造波文件中的周期，即加快控制所述造波机1的运动频率；如果所述周期小于平均设定周期，则加大所述造波文件中的周期，即减慢控制所述造波机1的运动频率。

所述工控计算机10将上述获得的多个所述造波文件进行改写和无缝拼接，并将处理后的所述造波文件发送至所述造波机1，以使所述造波机1根据处理后的所述造波文件进行造波，使所述试验区域3的水位达到设定波高和设定周期；所述设定波高为风暴潮期间实际连续波高变化过程中时刻变化的波高。

本发明所述工控计算机10根据所述波高仪7检测的模拟结果对离散的多个造波文件进行自动迭代修正与拼接，并将处理后的所述造波文件发送至所述造波机1，以使所述造波机1根据处理后的所述造波文件进行造波，使所述试验区域3的水位达到设定波高和设定周期；所述模拟结果包括波浪高度与周期。

本发明中单个造波文件开始有一段渐升过程，结尾有一段渐缓过程，为模拟风暴潮全时段内的波浪过程(时间较长)，有许多单个造波文件，按传统的一个一个运行，每个文件开始和结尾都有一段缓变过程，与实际不符，将单个造波文件无缝拼接后，缓变过程只保留最开始和最后的一个，符合实际的变化过程。

本发明将风暴潮期间的水位变化过程以及处理后的造波文件输入所述工控计算机，工控计算机根据风暴潮期间的水位变化过程通过生潮设备控制生成不同时刻的风暴潮水位，同时工控计算机通过所述造波仪利用拼接后随水位连续变化的造波文件不间断造波，实现风暴潮期间水位和波浪的同步逐时变化，从而在三维港池中实现波浪、潮汐、风暴潮的动态耦合模拟。

本发明还公开一种三维耦合测控方法，所述方法包括：

步骤S1：利用水位测量仪实时获取模拟过程中的水位变化；

步骤S2：根据所述水位测量仪检测的水位变化生成水位调节指令，并发送至变频器，以使所述变频器根据所述水位调节指令控制双向泵电机的转速和转向，进而通过两端进出水口将试验区域内的水抽排至蓄水池，使所述试验区域的水位达到设定水位；

步骤S3：利用波高仪实时获取模拟过程中的模拟结果；所述模拟结果包括波浪高度与周期；

步骤S4：根据所述波高仪检测的模拟结果对离散的多个造波文件进行自动迭代修正与拼接，并将处理后的所述造波文件发送至造波机，以使所述造波机根据处理后的所述造波文件进行造波，使所述试验区域的水位达到设定波高和设定周期。

所述步骤S2包括：

步骤S21：根据所述水位测量仪检测的水位变化与设定水位进行比较，获得水位差值，并根据所述水位差值计算流量差值，根据流量差值生成水位调节指令发送给所述变频器，以使所述变频器根据所述水位调节指令控制所述双向泵电机的转速和转向，进而通过所述两端进出水口将所述试验区域内的水抽排至所述蓄水池，使所述试验区域的水位达到设定水位。

步骤S21包括：

步骤S211，判断流量差值与设定流量差值范围的关系；如果流量差值大于设定流量差值范围的最大值时，则生成第一水位调节指令，并发送至所述变频器，以使所述变频器根据所述第一水位调节指令控制所述双向泵电机的转速；如果流量差值在设定流量差值范围内，则生成第二水位调节指令，并发送至所述变频器，以使所述变频器根据所述第二水位调节指令控制所述双向泵电机的转速；如果流量差值小于设定流量差值范围的最小值且大于零，则生成第三水位调节指令，并发送至所述变频器，以使所述变频器根据所述第三水位调节指令控制所述双向泵电机的转速。

步骤S212，判断所述水位差值是否为正；如果所述水位差值为正，则通过所述变频器控制所述双向泵电机正转，以使将所述试验区域的水抽到所述蓄水池内；如果所述水位差值为负，则通过所述变频器控制所述双向泵电机反转，以使将所述蓄水池中的水抽到所述试验区域；

或判断所述流量差值是否为正；如果所述流量差值为正，则通过所述变频器控制所述双向泵电机正转，以使将所述试验区域的水抽到所述蓄水池内；如果所述流量差值为负，则通过所述变频器控制所述双向泵电机反转，以使将所述蓄水池中的水抽到所述试验区域。

所述步骤S4包括：

步骤S41：判断所述波高仪检测的波浪高度是否大于设定波高；如果所述波浪高度大于设定波高，则将所述造波文件中的波列进行整体缩小，或将所述造波文件中的部分大波高进行缩小；如果所述波浪高度小于设定波高，则将所述造波文件中的波列进行整体放大，或将所述造波文件中的部分小波高进行放大；将波高大于设定波高的称为所述大波高，将波高小于设定波高的称为所述小波高；

步骤S42：判断所述周期是否大于平均设定周期；如果所述周期大于平均设定周期，则减小所述造波文件中的周期，即加快控制所述造波机的运动频率；如果所述周期小于平均设定周期，则加大所述造波文件中的周期，即减慢控制所述造波机的运动频率；

步骤S43：将步骤S42获得的多个所述造波文件进行改写和无缝拼接，并将处理后的所述造波文件发送至所述造波机，以使所述造波机根据处理后的所述造波文件进行造波，使所述试验区域的水位达到设定波高和设定周期。

采用本发明公开的三维耦合测控装置模拟海堤在波浪、潮汐、风暴潮动态耦合作用下溃决宽度及深度的动态变化，以及海堤溃决后洪水波涌入、传播和退却的全过程，具体如图4和5所示，图5中(a)为波浪、潮汐、风暴潮动态耦合后有效波高与目标波高(设定波高)对比图；图5中(b)为波浪、潮汐、风暴潮动态耦合后实测周期与目标周期(设定周期)对比图；由图4可知，平均误差为3.1cm。

本发明对水位过程和波浪过程的模拟精度均较高，由潮汐和风暴潮引起的连续水位变化模拟最大误差可控制在±8cm(原型值)以内，平均误差可控制在±4cm(原型值)以内，模拟结果(波高、周期)的模拟最大误差均可控制在±4％以内，波浪、潮汐、风暴潮耦合后水位和波浪过程的最大误差和平均误差同样可控制在上述范围内，均高于相关规范的要求(《波浪模型试验规程》(JTJ/T 234-2001)中规定，波高、周期的模拟最大误差均需控制在±5％以内；《海岸与河口潮流泥沙模拟技术规程》(JTS/T 231-2-2010)中规定，水位过程模拟最大误差换算成原型值需控制在±10cm以内)。

本发明考虑了波浪与海岸建筑物正向及斜向相互作用时的浅水变形、折射和绕射等三维水动力特性，采用风暴潮期间由潮汐和风暴潮引起的连续水位变化过程并与波浪过程叠加，实现了水位和波浪的同步逐时变化，可较准确地模拟出符合实际情况的真实水动力条件，与实际风暴潮作用时的真实情况更为接近，可反映波浪、潮汐、风暴潮耦合作用时海岸建筑物真实的动态响应及破坏过程。本发明还包含了对实际工程最不利的水位、波浪作用方向以及在二维水槽试验中不能反映的试验区域(如堤头段、拐角段、地形变化较大段等)，试验结果趋于安全，消除了安全隐患，更加符合实际需求。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种三维耦合测控装置，其特征在于，所述装置包括：

造波机、两端进出水口、实验区域、蓄水池、水位测量仪、波高仪、工控计算机、变频器和双向泵电机；

所述造波机对应所述试验区域设置，所述水位测量仪、所述波高仪和所述双向泵电机均设置在所述实验区域内；

所述造波机、所述水位测量仪和所述波高仪分别与所述工控计算机连接，所述工控计算机通过所述变频器与所述双向泵电机连接，所述双向泵电机与所述两端进出水口连接；

所述实验区域用于模拟波浪、潮汐和风暴潮三维耦合实验；

所述工控计算机根据所述水位测量仪检测的水位变化生成水位调节指令，并发送至所述变频器，以使所述变频器根据所述水位调节指令控制所述双向泵电机的转速和转向，进而通过所述两端进出水口将所述试验区域内的水抽排至所述蓄水池，使所述试验区域的水位达到设定水位；所述设定水位为风暴潮期间实际连续水位变化过程中时刻变化的水位；

所述工控计算机根据所述波高仪检测的模拟结果对离散的多个造波文件进行自动迭代修正与拼接，并将处理后的所述造波文件发送至所述造波机，以使所述造波机根据处理后的所述造波文件进行造波，使所述试验区域的水位达到设定波高和设定周期；所述模拟结果包括波浪高度与周期。

2.根据权利要求1所述的三维耦合测控装置，其特征在于，所述装置还包括：

隔墙，用于将所述试验区域与所述蓄水池隔离。

3.根据权利要求1所述的三维耦合测控装置，其特征在于，所述装置还包括：

流速传感器，设置在所述两端进出水口处，用于检测并显示所述两端进出水口处的水流速度。

4.根据权利要求1所述的三维耦合测控装置，其特征在于，所述装置还包括：

在所述两端进出水口处设置的多个分支分流，用于实现多条支路分流。

5.根据权利要求1所述的三维耦合测控装置，其特征在于，所述装置还包括：

在所述两端进出水口处分别设置消能格栅，用于降低流速。

6.一种三维耦合测控方法，其特征在于，所述方法应用于权利要求1-5任一项所述的装置，所述方法包括：

步骤S1：利用水位测量仪实时获取模拟过程中的水位变化；

步骤S2：根据所述水位测量仪检测的水位变化生成水位调节指令，并发送至变频器，以使所述变频器根据所述水位调节指令控制双向泵电机的转速和转向，进而通过两端进出水口将试验区域内的水抽排至蓄水池，使所述试验区域的水位达到设定水位；

步骤S3：利用波高仪实时获取模拟过程中的模拟结果；所述模拟结果包括波浪高度与周期；

步骤S4：根据所述波高仪检测的模拟结果对离散的多个造波文件进行自动迭代修正与拼接，并将处理后的所述造波文件发送至造波机，以使所述造波机根据处理后的所述造波文件进行造波，使所述试验区域的水位达到设定波高和设定周期。

7.根据权利要求6所述的三维耦合测控方法，其特征在于，步骤S2包括：

步骤S21：根据所述水位测量仪检测的水位变化与设定水位进行比较，获得水位差值，并根据所述水位差值计算流量差值，根据流量差值生成水位调节指令发送给所述变频器，以使所述变频器根据所述水位调节指令控制所述双向泵电机的转速和转向，进而通过所述两端进出水口将所述试验区域内的水抽排至所述蓄水池，使所述试验区域的水位达到设定水位。

8.根据权利要求7所述的三维耦合测控方法，其特征在于，步骤S21包括：

判断流量差值与设定流量差值范围的关系；如果流量差值大于设定流量差值范围的最大值时，则生成第一水位调节指令，并发送至所述变频器，以使所述变频器根据所述第一水位调节指令控制所述双向泵电机的转速；如果流量差值在设定流量差值范围内，则生成第二水位调节指令，并发送至所述变频器，以使所述变频器根据所述第二水位调节指令控制所述双向泵电机的转速；如果流量差值小于设定流量差值范围的最小值且大于零，则生成第三水位调节指令，并发送至所述变频器，以使所述变频器根据所述第三水位调节指令控制所述双向泵电机的转速。

9.根据权利要求8所述的三维耦合测控方法，其特征在于，步骤S21还包括：

判断所述水位差值是否为正；如果所述水位差值为正，则通过所述变频器控制所述双向泵电机正转，以使将所述试验区域的水抽到所述蓄水池内；如果所述水位差值为负，则通过所述变频器控制所述双向泵电机反转，以使将所述蓄水池中的水抽到所述试验区域；

或判断所述流量差值是否为正；如果所述流量差值为正，则通过所述变频器控制所述双向泵电机正转，以使将所述试验区域的水抽到所述蓄水池内；如果所述流量差值为负，则通过所述变频器控制所述双向泵电机反转，以使将所述蓄水池中的水抽到所述试验区域。

10.根据权利要求6所述的三维耦合测控方法，其特征在于，步骤S4包括：

步骤S41：判断所述波高仪检测的波浪高度是否大于设定波高；如果所述波浪高度大于设定波高，则将所述造波文件中的波列进行整体缩小，或将所述造波文件中的部分大波高进行缩小；如果所述波浪高度小于设定波高，则将所述造波文件中的波列进行整体放大，或将所述造波文件中的部分小波高进行放大；将波高大于设定波高的称为所述大波高，将波高小于设定波高的称为所述小波高；

步骤S42：判断所述周期是否大于平均设定周期；如果所述周期大于平均设定周期，则减小所述造波文件中的周期，即加快控制所述造波机的运动频率；如果所述周期小于平均设定周期，则加大所述造波文件中的周期，即减慢控制所述造波机的运动频率；

步骤S43：将步骤S42获得的多个所述造波文件进行改写和无缝拼接，并将处理后的所述造波文件发送至所述造波机，以使所述造波机根据处理后的所述造波文件进行造波，使所述试验区域的水位达到设定波高和设定周期。

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