L型造波機造波信號生成方法、裝置和L型造波機制造方法及圖紙

本發明專利技術提供了一種L型造波機造波信號生成方法、裝置和L型造波機，屬于實驗室波浪的物理模擬技術領域。本發明專利技術提供的L型造波機造波信號生成方法、裝置和L型造波機，利用全域內的目標波浪信息，直接求解運動連軸運動離散方程，得到計算造波信號。不同于傳統的線性解析解方法，該方法是一種時域內數值微分方法，完全考慮波浪的非線性，無須在頻域內求解復雜的水動力傳遞函數，有效提高了模擬精度和效率，減少了造波板運動過程中的不協調現象，大幅簡化了程序，增加了波浪物理模擬的穩定性和實效性。在造波機結構上，將兩邊相接處設置成圓弧過渡段，從而保證了波浪空間分布的連續性和均勻性，有效避免了無效波浪區的形成。

Wave-making signal generation method, device and L-type wave-making machine

【技術實現步驟摘要】
L型造波機造波信號生成方法、裝置和L型造波機
本專利技術涉及實驗室波浪的物理模擬
，具體而言，涉及一種L型造波機造波信號生成方法、裝置和L型造波機。
技術介紹
在海岸、近海或海洋工程領域，波浪是一種關鍵的水動力載荷。模擬波浪并研究其對結構物的作用或破壞機理，可幫助人們認識波浪的威脅，以便為科學研究和工程設計提供技術指導。海洋波浪的物理模擬是研究波浪理論的重要方法，也是解決各類波浪相關問題的重要手段。采用造波機在實驗室中生成物理波浪是目前研究波浪傳播、破碎特性及其與涉海結構物相互作用的一種重要實驗方法。實驗室中所模擬的海洋波浪的精度將直接影響實驗結果的準確性和可信度。目前，實驗室中通常采用在波浪水池中用分段式造波機生成波浪的方法來模擬真實的海洋波浪。分段造波機造波過程中各造波板的運動存在一定的時間差，平面形態上呈“蛇形”運動，故又稱“蛇形造波機”，較常見的形式是在四邊形水池的其中一條邊設置一條直線排列的分段式造波機。然而，傳統單邊直線排列分段式造波機由于受波浪方向的限制，如圖1所示，其有效范圍(有效波浪區)一般比較窄，應用范圍受到非常大的限制。為拓展波浪的有效范圍，科研人員研制出多邊分段式造波機，如在水池的相鄰兩條邊設置分段式造波機，這類造波機所有造波板靜止時在平面形態上組成“L”型，故又稱L型造波機。對于現有的L型造波機，仍存在以下兩大技術難題并未得到解決：第一，在結構上，兩條造波邊界的對角處存在“盲區”，導致大面積無效波浪區的存在。目前的L型造波機，并未對相鄰兩條邊的交接處進行處理，或者進行簡單的直角對接，或者用水泥直角墻進行分割，如圖2所示。這就導致在實際的多向三維波浪模擬過程中，出現水池大面積的無效波浪區，如圖3所示，嚴重影響實驗結果的準確性，制約了L型造波機的應用和發展。第二，在造波機造波信號的生成技術上，仍基于線性波浪假定，采用傳統的基于半無限假定的頻域方法，存在造波信號計算結果誤差大、過程異常復雜、繁瑣冗長、信號生成慢、數據傳輸慢、容易導致造波板運動的不協調等問題。從國內外目前已公開三維造波機技術來看，其造波信號計算方法無一例外均在半無限物理波浪域假定下進行(可以稱之為“半域”方法)，即假定造波機至波浪傳播的方向無限遠處為半無限域。通過理論求解水動力參數解析解，從而求得傳遞函數，再由擬定的波向、波高、周期等波浪參數來反算出造波信號。計算過程中將目標波浪定義為線性波，而忽略了重要的非線性因素，導致波浪模擬精度下降。所需的水動力傳遞函數計算極為復雜，且對造波邊界的平面布置形態要求很苛刻，一般只適合于簡單的直線布置，而對于復雜的平面布置無能為力。該參數與波浪的頻率有關，因此可歸類于線性頻域的方法，計算過程中需要大量用到Hankel、Bessel類函數等，存在推導和計算過程異常復雜、繁瑣冗長、容易導致造波板運動的不協調等問題。
技術實現思路
針對上述現有技術中存在的問題，本專利技術提供了一種L型造波機造波信號生成方法、裝置和L型造波機，通過全域(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邊界鏡像反向延伸得到的虛擬波浪域。)內的目標波浪信息，通過直接求解運動連軸運動離散方程，得到造波信號，簡化了推導計算過程，提高了計算精度和效率，有效減少了造波板運動過程中的不協調現象。第一方面，本專利技術實施例提供了一種造波信號生成方法，應用于L型造波機，所述L型造波機包括沿水池相鄰的兩條邊設置的直線段分段造波單元，以及連接兩直線段分段造波單元的圓弧過渡段分段造波單元；所述直線段分段造波單元和所述圓弧過渡段分段造波單元均由多塊造波板連接構成，相鄰造波板之間通過運動連軸連接；所述運動連軸在驅動力作用下沿造波板連線的法線方向作往復運動；所述方法包括：根據L型造波機的現場平面布置形式，建立初始狀態坐標系，確定每個所述運動連軸在所述初始狀態坐標系中的初始位置；根據用戶輸入的目標波浪類型和目標波浪參數，確定全域內目標波浪的波面表達式；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虛擬波浪域；根據所述目標波浪的波面表達式和用戶輸入的目標波浪參數，確定虛擬波浪域與物理波浪域交界處各個運動連軸位置的波浪信息；所述各個運動連軸位置的波浪信息包括各個運動連軸位置的水深平均速度；根據所述波浪信息，通過求解運動連軸的運動離散方程，得到相應的造波信號；輸出所述造波信號，以控制所述L型造波機對波浪進行物理模擬。結合第一方面，本專利技術實施例提供了第一方面的第一種可能的實施方式，其中，確定每個所述運動連軸在所述初始狀態坐標系中的初始位置的步驟，包括：分別針對兩個直線段分段造波單元和圓弧過渡段分段造波單元確定各個運動連軸在所述初始狀態坐標系中的初始位置。結合第一方面，本專利技術實施例提供了第一方面的第二種可能的實施方式，其中，根據用戶輸入的目標波浪類型和目標波浪參數，確定全域內目標波浪的波面表達式的步驟，包括：當所述目標波浪類型為線性規則波時，目標波浪的波面表達式為：其中，η(x,y,t)為波面方程，H為用戶輸入的目標波浪參數中的波高，k為根據用戶輸入的目標波浪參數確定的目標波浪的波數，ω為根據用戶輸入的目標波浪參數確定的圓頻率，x、y分別為目標波浪的波面的x坐標和y坐標，θ為目標波浪相對于x軸的波向角。結合第一方面，本專利技術實施例提供了第一方面的第三種可能的實施方式，其中，根據用戶輸入的目標波浪類型和目標波浪參數，確定全域內目標波浪的波面表達式的步驟，包括：當所述目標波浪類型為線性不規則波時，目標波浪的波面表達式為：其中，η(x,y,t)為波面方程，N為根據用戶輸入的目標波浪參數確定的目標不規則波的組成波的數量，am為根據用戶輸入的目標波浪參數確定的各組成波的幅值，km為根據用戶輸入的目標波浪參數確定的各組成波的波數，ωm為根據用戶輸入的目標波浪參數確定的目標不規則波的各組成頻率，εm為隨機相位，是[0,2π]內均勻分布的隨機數，x、y分別為目標波浪的波面的x坐標和y坐標，θ為目標波浪相對于x軸的波向角。結合第一方面，本專利技術實施例提供了第一方面的第四種可能的實施方式，其中，根據所述波浪信息，通過求解運動連軸的運動離散方程，得到相應的造波信號的步驟，包括：采用數值離散方法對預先設定的運動連軸運動微分方程進行離散，得到各個運動連軸的運動離散方程；根據設定的初始條件和邊界條件，結合運動連軸的運動離散方程，得到各個運動連軸相應的造波信號。第二方面，本專利技術實施例還提供了一種造波信號生成裝置，應用于L型造波機，所述L型造波機包括沿儲水裝置相鄰的兩條邊設置的直線段分段造波單元，以及連接兩直線段分段造波單元的圓弧過渡段分段造波單元；所述直線段分段造波單元和所述圓弧過渡段分段造波單元均由多塊造波板連接構成，相鄰造波板之間通過運動連軸連接；所述運動連軸在驅動力作用下沿造波板連線的法線方向作往復運動；所述裝置包括：坐標確定模塊，用于根據L型造波機的現場平面布置形式，建立初始狀態坐標系，確定每個所述運動連軸在所述初始狀態坐標系中的初始位置；波面確定模塊，用于根據用戶輸入的目標波浪類型和目標波浪參數，確定全域內目標波浪的波面表達式；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虛擬波浪域；波浪信息確定模塊，用于根據本文檔來自技高網...

【技術保護點】
1.一種L型造波機造波信號生成方法，其特征在于，所述L型造波機包括沿儲水裝置相鄰的兩條邊設置的直線段分段造波單元，以及連接兩直線段分段造波單元的圓弧過渡段分段造波單元；所述直線段分段造波單元和所述圓弧過渡段分段造波單元均由多塊造波板連接構成，相鄰造波板之間通過運動連軸連接；所述運動連軸在驅動力作用下沿造波板連線的法線方向作往復運動；所述方法包括：根據L型造波機的現場平面布置形式，建立初始狀態坐標系，確定每個所述運動連軸在所述初始狀態坐標系中的初始位置；根據用戶輸入的目標波浪類型和目標波浪參數，確定全域內目標波浪的波面表達式；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虛擬波浪域；根據所述目標波浪的波面表達式和用戶輸入的目標波浪參數，確定虛擬波浪域與物理波浪域交界處各個運動連軸位置的波浪信息；所述各個運動連軸位置的波浪信息包括各個運動連軸位置的水深平均速度；根據所述波浪信息，通過求解運動連軸的運動離散方程，得到相應的造波信號；輸出所述造波信號，以控制所述L型造波機對波浪進行物理模擬。

【技術特征摘要】
1.一種L型造波機造波信號生成方法，其特征在于，所述L型造波機包括沿儲水裝置相鄰的兩條邊設置的直線段分段造波單元，以及連接兩直線段分段造波單元的圓弧過渡段分段造波單元；所述直線段分段造波單元和所述圓弧過渡段分段造波單元均由多塊造波板連接構成，相鄰造波板之間通過運動連軸連接；所述運動連軸在驅動力作用下沿造波板連線的法線方向作往復運動；所述方法包括：根據L型造波機的現場平面布置形式，建立初始狀態坐標系，確定每個所述運動連軸在所述初始狀態坐標系中的初始位置；根據用戶輸入的目標波浪類型和目標波浪參數，確定全域內目標波浪的波面表達式；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虛擬波浪域；根據所述目標波浪的波面表達式和用戶輸入的目標波浪參數，確定虛擬波浪域與物理波浪域交界處各個運動連軸位置的波浪信息；所述各個運動連軸位置的波浪信息包括各個運動連軸位置的水深平均速度；根據所述波浪信息，通過求解運動連軸的運動離散方程，得到相應的造波信號；輸出所述造波信號，以控制所述L型造波機對波浪進行物理模擬。2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，確定每個所述運動連軸在所述初始狀態坐標系中的初始位置的步驟，包括：分別針對兩個直線段分段造波單元和圓弧過渡段分段造波單元確定各個運動連軸在所述初始狀態坐標系中的初始位置。3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，根據用戶輸入的目標波浪類型和目標波浪參數，確定全域內目標波浪的波面表達式的步驟，包括：當所述目標波浪類型為線性規則波時，目標波浪的波面表達式為：其中，η(x,y,t)為波面方程，H為用戶輸入的目標波浪參數中的波高，k為根據用戶輸入的目標波浪參數確定的目標波浪的波數，ω為根據用戶輸入的目標波浪參數確定的圓頻率，x、y分別為目標波浪的波面的x坐標和y坐標，θ為目標波浪相對于x軸的波向角。4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，根據用戶輸入的目標波浪類型和目標波浪參數，確定全域內目標波浪的波面表達式的步驟，包括：當所述目標波浪類型為線性不規則波時，目標波浪的波面表達式為：其中，η(x,y,t)為波面方程，N為根據用戶輸入的目標波浪參數確定的目標不規則波的組成波的數量，am為根據用戶輸入的目標波浪參數確定的各組成波的幅值，km為根據用戶輸入的目標波浪參數確定的各組成波的波數，ωm為根據用戶輸入的目標波浪參數確定的目標不規則波的各組成頻率，εm為隨機相位，是[0,2π]內均勻分布的隨機數，x、y分別為目標波浪的波面的x坐標和y坐標，θ為目標波浪相對于x軸的波向角。5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，根據所述波浪信息，通過求解運動連軸的運動離散方程，得到相應的造波信號的步驟，包括：采用數值離散方法對預先設定的運動連軸運動微分方程進行離散，得到各個運動連軸的運動離散方程；根據設定的初始條件和邊界條件，結合運動連軸的運動離散方程，得到各個運動連軸相應的造波信號。6.一種L型造波機造波信號生成裝置，其特征在于，所述L型造波機包括沿儲水裝置相鄰的兩條邊設置的直線段分段造波單元，以及連接兩直線段分段造波單元的圓弧過渡段分段造波單元；所述直線段分段造波單元和所述圓弧過渡段分段造波單...

【專利技術屬性】
技術研發人員：陽志文，張華慶，解鳴曉，李鑫，肖輝，王海申，吳明陽，
申請(專利權)人：交通運輸部天津水運工程科學研究所，
類型：發明
國別省市：天津,12