一种产生波形理想的连续聚焦波的造波方法技术

本发明专利技术提供一种产生波形理想的连续聚焦波的造波方法，如下：根据理论聚焦时刻和理论聚焦点位置确定聚焦波各波浪组份的波幅和初相位，获得聚焦点处的实测波面实测；将实测波面与理论波面进行对比，若波形不满足要求，则根据实测值与目标值对波浪组份波幅和初相位进行迭代，利用迭代更新后的波浪组份波幅和初相位计算造波机运动位移并在水槽中造波，观测聚焦点处波面并与理想波面对比，若波形满足要求则获得产生理性波形的连续聚焦波造波参数，若不满足要求则再次进行迭代直至满足要求为止；利用迭代优化后的造波参数，结合水槽中产生连续聚焦波的方法，产生连续聚焦波所需要的数据。本发明专利技术所提出的造波方法，提高浪槽水动力试验的精度效率。

A Wave-making Method of Continuous Focused Wave with Ideal Waveform

The invention provides a wave-making method for generating continuous focused wave with ideal waveform, which is as follows: determining the amplitude and initial phase of each wave component of the focused wave according to the theoretical focusing time and the position of the theoretical focusing point, obtaining the measured wavefront at the focusing point; comparing the measured wavefront with the theoretical wavefront, if the waveform does not meet the requirements, then comparing the measured wavefront with the theoretical wavefront according to the measured value and the target value. The amplitude and initial phase are iterated. The motion displacement of the wave maker is calculated by using the amplitude and initial phase of the wave component updated iteratively and the wave is generated in the flume. The wave surface at the focus is observed and compared with the ideal wave surface. If the waveform satisfies the requirement, the continuous focused wave parameters are obtained. If the waveform does not meet the requirement, the iteration is repeated until the requirement is satisfied. Combined with the method of generating continuous focusing wave in flume, the data needed for generating continuous focusing wave are generated. The wave-making method of the invention improves the accuracy and efficiency of the hydrodynamic test of the wave trough.

【技术实现步骤摘要】
一种产生波形理想的连续聚焦波的造波方法
本专利技术涉及近海、海洋工程水动力波浪水槽试验测试技术，具体说就是一种产生波形理想的连续聚焦波的造波方法。
技术介绍
海洋能源开采、海上及近海交通网络的构建实施都离不开海洋及近海工程基础设施。这些工程结构的安全性成为保障人类海洋活动的关键因素。在全球气候变化的背景下，近海或海洋结构将会面临更为极端的复杂海洋环境，这些结构物在的极端灾害，如海啸、飓风引起的巨型波浪以及常规海况中的突然出行的畸形波浪作用下的安全性成为工程科技人员所面临的新命题。波浪水动力模型试验作为研究海洋工程结构波浪-结构作用问题的强有力手段，在海洋工程发展过程中起到了巨大的推进作用。目前波浪水槽试验一般使用规则波或者随机波模拟海洋波浪，Dean和Dalrymple(1991)，俞聿修(1992)等人分别提出了规则波和不规则波的造波方法，其原理明确，方法简单。在非线性波浪方面，提出了利用二阶造波方法产生波形更为良好的规则波或者随机波；为了模拟海啸波，Goring和Raichlen(1980)推导了在水槽中产生孤立波的造波方法；Tromans等人(1991)年基于线性造波理论提出了NewWave造波方法用以模拟实际海域中观测到的畸形波浪。目前，利用波浪聚焦的方法在水槽或者水池中模拟聚焦波浪逐渐开始得到海洋工程领域的认可。波浪聚焦即利用短波传播速度慢，长波传播速度快，在水槽中先产生短波后产生长波，让长波在特定时刻(聚焦时刻)在某一个特定位置(聚焦点)追赶上短波，从而实现波峰或者波谷的叠加，从而产生一个大波幅的波浪。申请人前期提出了在水槽中短时间内产生多个聚焦波的造波方法，但是这种方法仍存在一定缺陷，即前文所提及的“特定时刻”和“特定位置”存在时间和空间上的下移现象(图1)。聚焦时刻和聚焦点下移现象主要由于波浪成分相互作用所产生的超谐波和次谐波导致的。聚焦时刻下移可以通过在试验过程中延长采样时间予以修正，但是聚焦点下移会导致作用在结构上的波浪与设想的输入波浪存在差异，从而降低试验结果的可信度。
技术实现思路
针对水槽中产生的聚焦点下移这一问题，本专利技术的目的在于提供一种在水槽中产生理想波形的连续聚焦波浪的造波方法，能够在短时间内重复稳定的产生多个波形理想的聚焦波浪，以供实际浪槽试验作为输入波浪，以提高波浪模拟的精度。为实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种产生波形理想的连续聚焦波的造波方法，如下：根据理论聚焦时刻和理论聚焦点位置确定聚焦波各波浪组份的波幅和初相位，依据理论波幅和初相位计算造波机运动位移并在水槽中造波，获得聚焦点处的实测波面实测；将实测波面与理论波面进行对比，若波形不满足要求，则根据实测值与目标值对波浪组份波幅和初相位进行迭代，利用迭代更新后的波浪组份波幅和初相位计算造波机运动位移并在水槽中造波，观测聚焦点处波面并与理想波面对比，若波形满足要求则获得产生理性波形的连续聚焦波造波参数，若不满足要求则再次进行迭代直至满足要求为止；利用迭代优化后的造波参数，结合水槽中产生连续聚焦波的方法，即能够确定产生连续聚焦波所需要的造波机位移数据，将位移数据载入造波机控制程序即能够在聚焦点获得波形理想的连续聚焦波浪。本专利技术还具有如下技术特征：1、采用推板式造波机所需要的造波机位移数据具体方法如下：基于线性叠加原理，二维波浪波面表示为：其中：η——二维波浪波面；Nf——组成谐波总数；ai——组成波的振幅(m)；ki——组成波波数；x——空间位置；t——时间；ωi——组成波角频率(rad/s)；φi——组成波的初始相位(rad)；波数与频率满足相应的色散关系方程；波浪在时刻tb聚焦于xb位置处，即各组成波的波峰在时间t＝tb，位置x＝xb处同时同地出现：cos(kixb-ωitb+φi)＝1(2)则各组成波的初相位φi满足下式φi＝-kixb+ωitb+2mπ,m＝0，±1，±2，…(3)将式(3)带入式(1)并取m＝0，则获得水槽中任意位置的波面表达式η(x,t)当确定了聚焦时间tb和聚焦位置xb后，聚焦波焦点处的最大波幅只由各组成谐波的波幅ai决定，ai利用波浪谱确定；造波机处于x＝0处，在水槽中某一位置xb产生聚焦波浪则造波机的运动为：其中T(fi)为传递函数，由线性造波理论确定，对于推板式造波机由下式确定：式中d为造波板前水深；选定合适的造波参数ai，Nf，ωi和相应的频率模拟范围并根据式(3)确定各波浪组分的初相位，即在水槽中产生聚焦波，在预定的波浪聚焦点进行波面观测并获得观测波面ηmeasured；然后将观测波面ηmeasured和理论波面ηt进行对比，若所测连续聚焦波面波形不够理想可按下述方法进行迭代改进；对观测的波面进行傅里叶变化，得到各波浪频率成分的实测波幅ai，measured和实测相位φi,measured，根据实测波幅ai，measured和实测相位φi,measured对下一次造波的ai,new和φi,new进行改进：φi,new＝φi,old+(φi,target-φi,measured)(7)其中：ai，measured——本次迭代造波实测各波浪组分波幅；φi,measured——本次迭代造波实测各波浪组分相位；ai,new——下次迭代造波输入各波浪组分波幅；φi,new——下次迭代造波输入各波浪组分相位；ai,old——本次次迭代造波输入各波浪组分波幅；φi,old——本次次迭代造波输入各波浪组分相位；ai,target——各波浪组分目标波幅；φi,target——各波浪组分目标相位，对于波峰聚焦的聚焦波为0；将式(7)和(8)计算所得代入公式(5)，即获得下一次造波所需要的推板位移，进行下一次造波并在目标聚焦点处观测波面，如果波形不够理想便进行下一次的波幅和相位迭代，直至波向足够理想为止，最后得到迭代后波形足够理想的波幅ai和相位φi作为产生连续聚焦波的参数；连续聚焦波的波面为：根据推波板x＝0位置处的波面即可以获得产生波形理想的连续聚焦波所需的造波板位移s：实验室中产生连续聚焦波浪时，经过若干步迭代之后，获得产生波形理想的聚焦波的造波参数；选择合适的连续聚焦波周期后，按照式(10)计算出造波板推板位移数据，将推板位移数据载入造波机，便在水槽中产生波形理想的连续聚焦波。2、采用摇板式造波机所需要的造波机位移数据具体方法如下：将如上公式(6)替换为同时将如上公式(10)替换为本专利技术所具有的优点及有益效果：应用本专利技术所提出的造波方法，可以在短时间在波浪水槽中产生多个具有良好波形的聚焦波浪，提高了聚焦波浪作用试验的输入波浪的模拟精度和重复性以及稳定性，使得聚焦波重复试验成为可行方案，提高试验的精度。通过具体波浪水槽试验，验证了本专利技术所提出的造波方法可以产生良好波形的连续聚焦波。附图说明图1为本专利技术实施的流程图；图2为峰值频率0.6Hz时普通连续聚焦波造波方法得到的波面图；图3为峰值频率0.6Hz时本专利技术造波方法得到的波面对比图；图4为峰值频率0.8Hz时普通连续聚焦波造波方法得到的波面图；图5为峰值频率0.8Hz时本专利技术造波方法得到的波面对比图；图6为峰值频率0.8Hz时连续聚焦波周期为20s时本专利技术造波方法得到的波面时程图；图7峰值频率0.8Hz时连续聚焦波周期为25s时本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种产生波形理想的连续聚焦波的造波方法，其特征在于，方法如下：根据理论聚焦时刻和理论聚焦点位置确定聚焦波各波浪组份的波幅和初相位，依据理论波幅和初相位计算造波机运动位移并在水槽中造波，获得聚焦点处的实测波面实测；将实测波面与理论波面进行对比，若波形不满足要求，则根据实测值与目标值对波浪组份波幅和初相位进行迭代，利用迭代更新后的波浪组份波幅和初相位计算造波机运动位移并在水槽中造波，观测聚焦点处波面并与理想波面对比，若波形满足要求则获得产生理性波形的连续聚焦波造波参数，若不满足要求则再次进行迭代直至满足要求为止；利用迭代优化后的造波参数，结合水槽中产生连续聚焦波的方法，即能够确定产生连续聚焦波所需要的造波机位移数据，将位移数据载入造波机控制程序即能够在聚焦点获得波形理想的连续聚焦波浪。

【技术特征摘要】
1.一种产生波形理想的连续聚焦波的造波方法，其特征在于，方法如下：根据理论聚焦时刻和理论聚焦点位置确定聚焦波各波浪组份的波幅和初相位，依据理论波幅和初相位计算造波机运动位移并在水槽中造波，获得聚焦点处的实测波面实测；将实测波面与理论波面进行对比，若波形不满足要求，则根据实测值与目标值对波浪组份波幅和初相位进行迭代，利用迭代更新后的波浪组份波幅和初相位计算造波机运动位移并在水槽中造波，观测聚焦点处波面并与理想波面对比，若波形满足要求则获得产生理性波形的连续聚焦波造波参数，若不满足要求则再次进行迭代直至满足要求为止；利用迭代优化后的造波参数，结合水槽中产生连续聚焦波的方法，即能够确定产生连续聚焦波所需要的造波机位移数据，将位移数据载入造波机控制程序即能够在聚焦点获得波形理想的连续聚焦波浪。2.根据权利要求1所述的一种产生波形理想的连续聚焦波的造波方法，其特征在于，采用推板式造波机所需要的造波机位移数据具体方法如下：基于线性叠加原理，二维波浪波面表示为：其中：η——二维波浪波面；Nf——组成谐波总数；ai——组成波的振幅(m)；ki——组成波波数；x——空间位置；t——时间；ωi——组成波角频率(rad/s)；φi——组成波的初始相位(rad)；波数与频率满足相应的色散关系方程；波浪在时刻tb聚焦于xb位置处，即各组成波的波峰在时间t＝tb，位置x＝xb处同时同地出现：cos(kixb-ωitb+φi)＝1(2)则各组成波的初相位φi满足下式φi＝-kixb+ωitb+2mπ,m＝0，±1，±2，…(3)将式(3)带入式(1)并取m＝0，则获得水槽中任意位置的波面表达式η(x,t)当确定了聚焦时间tb和聚焦位置xb后，聚焦波焦点处的最大波幅只由各组成谐波的波幅ai决定，ai利用波浪谱确定；造波机处于x＝0处，在水槽中某一位置xb产生聚焦波浪则造波机的运动为：其中T(fi)为传递函数，由线性造波理论确定，对于推板式造波机由下式确定：式中d为造波板前水深；选定合适的造波参数ai，Nf，ωi和相应的频率...

【专利技术属性】
技术研发人员：方庆贺，郭安薪，李惠，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23