海洋工程试验中多单元造波机波浪模拟方法

1、海洋工程试验中多单元造波机波浪模拟方法 第29卷第3期 2011年8月海洋工程 THEOCEANENGINEERINGVol.29No.3Aug.2011 ?文章编号:1005?9865(2011)03?0037?06 李?俊,陈?刚,杨建民,彭?涛 (上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海?200240) 摘?要:由若干独立摇板组成的多单元造波机已经成为实验室研究波浪及其与海洋工程结构物相互作用的重要设备。介绍海洋深水池双边多单元造波机及其模拟波浪的方法,通过物理试验对所模拟的长峰规则波、不规则波和三维短峰波进行初步的试验研究。模拟波浪的时域和频域分析结果表明利用双边多单元造波机能够生成良

2、好的长峰波浪和三维短峰波浪,所模拟的波浪能够满足海洋工程试验的要求。 关键词:双边多单元造波机;波浪模拟;长峰波;三维短峰波 中图分类号:P751?文献标识码:A Simulationmethodofwavegeneratedbytwo?sidedsegmentedwavemakers indeepoceanbasin LIJun,CHENGang,YANGJian?min,PENGTao (StateKeyLaboratoryofOceanEngineering,ShanghaiJiaoTongUniversity,Shanghai200240,China) Abstract:Segment

3、edwavemakerswhichconsistofnumerousindividuallyprogrammedpaddleshavebecomeimportantinthestudyofwaveanditsinteractionwithoceanengineeringstructuresinoceanbasin.Thepaperintroducesthetwo?sidedsegmentedwavemakersandtheirwavesim?ulationmethods.Thepreliminaryexperimentalinvestigationonthelong?crestedregula

4、rwaves,irregularwavesand3Dshort?crestedwaveswasconductedthroughmodeltests.Theresultsintime?domainandfrequency?domainshowthatthetwo?sidedsegmentedwavemakerscansimulatelong?crestedwavesandshort?crestedwaveswell,whichcansatisfytherequirementsofoceanengineeringexperiments. Keywords:two?sidedsegmentedwav

5、emakers;wavesimulation;long?crestedwave;3Dshort?crestedwave 在海洋工程水池实现对风、浪、流良好的物理模拟是研究各类海洋结构物在其作用下水动力性能的基本要求和手段。其中,对波浪的模拟是进行海洋工程结构物模型试验的首要条件,波浪模拟的正确与否将直接影响试验结果的正确性和可靠性。 海洋工程水池通常所用的造波设备有摇板式造波机、推板式造波机等。目前使用较为普遍的是摇板式造波机,摇板式造波机采用液压或电力驱动方式,通过伺服电机控制摇板绕固定轴往复摆动,使水池中的水产生波动,波高由摇板的运动幅度决定,波浪周期由摇板的摆动频率确定。 长期以来,海洋

6、工程界主要采用长峰规则波浪、不规则波浪对海浪及其与海洋工程结构物的相互作用进行理论研究和模型试验,长峰波在海洋工程结构物的设计、建造和安全运营等方面发挥了重要的作用。但是,实际海上的风生波并非只沿某个方向传播,波能不仅分布在不同频率上,而且分布在不同方向上。因此,频谱不足以描述海浪的特性,为了更好地研究海浪运动及其与海洋工程结构物的相互作用,通过物理方法在海洋工程水池实现对三维短峰波的模拟及其分析是非常必要的。国外开展的一些模型试验表明,海洋工程 收稿日期:2010?09?20 基金项目:国家科技重大专项资助项目(2008ZX05030?005?10);海洋工程国家重点实验室自主研究课题资助项

7、目(AE010814) 作者简介:李?俊(1977?),男,陕西咸阳人,工程师,主要从事海洋工程水动力学研究。E?mail: 38海?洋?工?程第29卷结构物在三维短峰波中的水动力性能与在长峰波试验中的结果差异较大1。为使海洋工程设计更为经济、合理、可靠,在实验室中实现三维短峰波的物理模拟并开展其对海洋结构物作用的试验和研究成为重要的课题。 目前,多单元造波机成为海洋工程水池实现短峰波模拟的最主要设备,荷兰MARIN和美国OTRC等海洋工程水池均配备了多单元造波机。上海交通大学海洋工程国家重点实验室海洋深水池配备了由荷兰引进的双边多单元造波机,为我国开

8、展各类深水海洋结构物模型试验、水动力研究以及波浪理论研究等提供了便利的条件。 1?海洋深水池和双边多单元造波机概述 上海交通大学海洋深水池具备模拟4000m水深的深海工程试验能力,深水试验池由水池主体和一个深井组成,可以模拟风、浪、流等各种海洋环境。水池主体有效工作尺寸为50m?40m?10m(长?宽?深);水深可在010m范围内任意调节。水池深井最大工作水深40m、直径5m。 造波系统是由荷兰Rexroth(BoschGroup)公司引进的电力驱动多单元造波机。该系统由222块单元摇板组成,分两组布置在水池相邻垂直两边,其中,长边122块摇板,短边100块摇板,每块摇板宽0.4m,相邻摇板之

9、间有4mm的间隙,摇板在水线下高度为1.2m,各摇板由各自的伺服电机驱动,均可独立造波。在两组多单元造波机的对岸均设有消波滩用以防止产生反射波。图1为海洋深水池及造波机布置示意图。 双边多单元造波机最大造波能力:规则波最大波高0.5m,不规则波最大有义波高0.3m。图2为在波 浪不破碎情况下系统理论最大造波能力曲线。造波机实际最大造波能力要通过水池波浪试验进行测定。 图1?海洋深水池及造波机布置示意 Fig.1?Deepoceaneng.basin&segmentedwave generator图2?系统最大造波能力曲线(理论值)Fig.2?Theoreticalwaveperform

10、ance ?2?双边多单元造波机模拟波浪的方法 2.1?长峰波浪模拟 多单元造波机在模拟0?和90?(图1所示坐标系,波向角为与y轴夹角)长峰波浪时,模拟方法和单摇板造波机相同,短边或长边的单元摇板分别以相同的摇摆幅度、频率和相位同时运动。 模拟斜向规则波和不规则波时,双边多单元造波机垂直两边的摇板将同时运动实现波浪模拟。 2.1.1?规则波浪模拟 规则波波面可写成: ?(x,y,t)=acos(?t-k(xsin?+ycos?)(1) 式中:a为规则波波幅,?为规则波圆频率,k为波数,?为波浪传播方向与y轴夹角(0?<?<90?)。设双边多单元造波机的传递函数为T(?,?),则造

11、斜向规则波的驱动时历信号2: ?(x,y,t)=cos(?t-k(xsin?+ycos?),?(0?<?<90?)(2)T(?,?) ?在图3所示坐标系中,对于短边造波单元,式(2)中y=0,以第100块单元摇板中点作为短边造波机的原点( 39(3) ?(101-j)b,n?t)= cos(n?t-k(j-1)bsin?),?(j=1,2,?,100) T(?,?) 式中:j为短边各单元摇板板号,b为摇板宽。 对于长边造波单元,式(2)中x=0。由于要避免摇板运动的干扰,长边造波机在长、 短边相邻处少安装两块摇板代之以水泥墙,以第101块单元摇板中点作为长边造波机的原点,将长边造波

12、机各摇板中点坐标代入式(2),则长边各摇板的造波信号: ?(ib,n?t)=cos(n?t-k(i-99) T(?,90?-?)bcos?),(i=101,102,?,222) 式中:i为长边各单元摇板板号。 (4) 按照式(3)和式(4)制作驱动时历信号,在海洋深水池对多个波向角的规则波进行了物理模拟,在深水池中央布置有电容式浪高仪对模拟波浪进行采集,表1为模拟结果的统计值。由表1可知,三个方向规则波周期误差(以?T/T表示)最大值均小于1%,而波高可通过造波系统的冲程进行调解以达到目标值要求,从结果看,双边多单元造波机能够很好地按照周期和波高的要求对规则波进行物理模拟。 表1?规则波模拟结

13、果 Tab.1?Comparisonofthemeasuredandtargetregularwaves 规则波波向 周期/s 目标值0.721.131.351.611.831.972.162.282.540.721.131.351.611.831.972.162.282.540.721.131.351.611.831.972.162.28测量值0.7211.1381.3501.6191.8331.9682.1612.2842.5400.7221.1371.3501.6181.8261.9682.1592.2822.5410.7201.1401.3451.6181.8261.9722.1662

14、.281目标值2.05.07.18.08.08.08.08.08.02.05.07.18.08.08.08.08.08.02.05.07.18.08.08.08.08.0波高/cm 测量值2.0425.0157.0707.9278.0888.0257.9047.9198.1421.9234.9477.0737.9818.1697.8507.8588.0788.0571.9834.8437.1937.9548.0798.0777.9358.011 图3?双边多单元造波机模拟斜向长峰波示意Fig.3?Diagramofobliquelong?crestedwavegeneratedby two?s

15、idedsegmentedwavemakers 0? 45? 90? 40 2.1.2?不规则波浪模拟 海?洋?工?程第29卷 不规则波浪可看成由若干振幅、频率和相位各不相同的规则波叠加而成: ?(x,y,t)= m=1 ?amcos(?mt- M km(xsin?+ycos?)+?)m),?(0?<?<90(5) 式中:am、?m、km和?圆频率、波数和初相位。m分别为第m个组成波的振幅、 按照上述模拟规则波的方法,可写出双边多单元造波机模拟斜向不规则波浪的摇板驱动时历信号: M am ?(101-j)b,n?t)=?T(?,?m),?(j=1,?,100)cos(n?m?t-k

16、m(j-1)bsin?+?mm=1 am?(ib,n?t)=?cos(n?m?t-km(i-99)bcos?+?m),?(i=101,?,222)m,90?-?m=1T(? M (6) 按照式(6)制作驱动时历信号,在海洋深水池对三个波向角的不规则波进行了物理模拟,电容式浪高仪布置在水池中央。波浪选择JONSWAP谱,有义波高Hs=17.25cm,谱峰周期Tp=2s,谱峰参数?=1.6。采样频率20Hz,每个波浪采集35000点数据进行谱分析。在波浪模拟过程中,为获得好的结果,分别对每个波浪针 对波谱进行了23次的修正。表2为模拟统计结果,图4为模拟波浪的谱分析结果。 表2?不规则波模拟统计结

17、果 Tab.2?Comparisonofthemeasuredandtargetirregularwaves有义波高Hs 波向角 目标值/cm 0?45?90? 17.25017.25017.250 测量值误差(?Hs/Hs)/cm17.06017.04017.080 /%-1.101-1.217-0.986 目标值/s2.0002.0002.000 谱峰周期Tp 测量值 误差(?Tp/Tp)/s1.9842.0302.030 /%-0.8001.5001.500 目标值/cm218.53118.53118.531 方差Mo 测量值误差(?Mo/Mo)/cm218.18818.15018.21

18、9 /%-1.851-2.056-1.684 ?从上述模拟结果看,三个方向的不规则波浪有义波高最大误差为?1.217%,谱峰周期最大误差为1.5%,方差最大误差为?2.056%。模拟波浪的测量谱和目标谱符合良好,结果能够完全满足工程试验对波浪环境条件的模拟要求。 图4?在不同波向角下不规则波浪谱分析结果 Fig.4?Thecomparisonofthegeneratedandthetargetwavefrequencyspectra 2.2?三维短峰波浪模拟 方向谱可由波浪频谱与方向分布函数的乘积表达3?5: S(?,?)=S(?)?G(?,?)(7) 式中:S(?)为波浪频谱,即工程中常用的

19、波谱,如JONSWAP谱、PM谱等;G(?,?)为方向分布函数,方向分布函数必须满足以下条件: ?G(?,?)= max ? ?min 1(8) ?采用单叠代模型对三维短峰波进行物理模拟,单叠代模型的波面可写为 ?(x,y,t)= 式中:am为各组成波的振幅,am=m=1 ?amcos(?mt- N km(xsin?m+ycos?m)+?m)(9) S(?m)?m;km为波数;?内均布;?m为组成波初相位,在0,2?m为组 将G(?,?)看作一个概率密度函数,其累积概率: P(?)=?G(?,?)d?m min?0?P(?)?1(10) 对于频率?m的传播方向可随机选择,其分布满足G(?,?)

20、。对于每一个?m,均匀随机地选取P(?m)即可确定式(9)中?m所对应的方向角?m。 双边多单元造波机在制造三维短峰波时,各单元造波板是一个独立的造波机,以式(9)描述的短峰波波面为准,结合式(3)、式(4)和式(6),在已知造波机传递函数情况下,各单元造波板的驱动时历信号:?(101-j)b,n?t)= Mamcos(n?m?t-km(j-1)bsin?m+?m),(j=1,?,100)?m,?m)m=1T(?Mam?(ib,n?t)=?cos(n?m?t-km(i-99)bcos?m+?m),(i=101,?,222)m,(90?-?m)m=1T(?(11) ? 利用双边多单元造波机在海洋

21、深水池对三维短峰波进行了物理模拟。采用单叠代模型,方向分布函数选择cos25(?/2)分布,方向分布参数s选择10,主波向为180 ?,波浪频谱选择双参数PM谱。具体波浪参数见表3。短峰波在模拟过程中,针对频谱及方向分布函数对所模拟波浪进行了修正。 表3?三维短峰波浪目标谱参数 Tab.3 ?Parametersof3Dshort?crestedwave 波?谱 双参数PM谱方向参数s10有义波高/m0.13谱峰周期/s1.6主波向/?180 ?用由四个电容式浪高仪组成的矩阵对所模拟的波浪进行数据采集。四个浪高仪成方阵布置,相邻浪高仪间距25cm,浪高仪矩阵中心在(24m,26m)处,模拟时间为13min,采样频率40Hz,在造波开始后90s开始采集数据。方向谱采用扩展的最大似然法进行分析。 分析结果得到:有义波高12.72cm,谱峰周期1.63s。图5图7分别为分析得到的方向谱和二维波谱、方向分布函数及平均波向。所模拟短峰波、频谱与目标谱符合较好,时域统计值满足目标值要求,各频率平均波向与目标方向基本一致。 图5?波谱模拟结果 Fig.5?Thecomparisonofthegeneratedandthetargetwavespectra 图6?方向分布函数 Fig.6?Distr