小型推板式波浪水槽的性能測試分析*

盤 俊 吳靜萍 姜曼松 鄭曉偉 趙小仨

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (武漢理工大學綠色船舶與海工裝備技術研究中心2) 武漢 430063)

小型推板式波浪水槽的性能測試分析*

盤 俊1)吳靜萍1,2)姜曼松1)鄭曉偉1)趙小仨1)

(武漢理工大學交通學院1)武漢 430063) (武漢理工大學綠色船舶與海工裝備技術研究中心2)武漢 430063)

波浪水槽是研究波浪運動及其與結構物相互作用問題的試驗設備,其造波的重復性、穩定性和沿程衰減程度會影響試驗方案設計和所采用的試驗結果分析方法.文中結合武漢理工大學交通學院流體力學試驗室新改建的小型推板式波浪水槽,展開了水槽造波性能測試分析,主要涉及規則波的波高和周期的重復性、穩定性,以及波高沿程衰減程度.結果表明,水槽造波的波高和波周期的重復性與穩定性誤差,以及單位距離波高沿程衰減程度均較小.

波浪水槽；推板式造波；重復性；穩定性

0 引 言

波浪水槽再現實際海浪,進行各種與波浪運動相關的研究是目前海岸工程、港口與航道工程、船舶與海洋工程等行業重要的試驗研究設備.

Ernst等[1]在一個小到1 in寬的水槽內通過注滿流體的管體瀉流來產生波浪到目前世界上最大的長×寬×高為450 m×5 m×12 m的天科院大比尺度推板造波水槽之后,國內外已經建造了大量的不同尺度的大、中、小型波浪水槽.其中按照造波方式又分推板式和搖板式[2].推板式適用于淺水造波,搖板式適用于較深水造波.而且僅推板式波浪水槽也是為數眾多,如德國漢諾威大學110 m×1 m×1.2 m的大型推板式造波的波浪水槽,新加坡國立大學38 m×0.9 m×0.9 m的中型推板式造波波浪水槽,英國諾丁漢大學15 m×0.2 m×0.5 m的小型推板造波波浪水槽,挪威科技大學13 m×0.6 m×1 m的小型推板造波波浪水槽,麻省理工學院9.6 m×1.2 m×1 m的小型推板造波波浪水槽.

波浪水槽一般由造波段、試驗段和消波段組成.水槽的造波技術和消波方法對水槽的性能起著決定性作用.文中波浪水槽的性能測量分析是在試驗段進行的.

劉月琴等[3]對華南理工大學32 m×1 m×1.5 m的中型推板式造波的波浪水槽進行了造不規則波的穩定性和重復性分析,其平均波高誤差小于4.87%,平均周期誤差小于4.59%,波高重復性誤差小于1.87%.吳珷[4]對重慶交通學院水港系72 m×1.5 m×1.7 m的大型推板造波水槽進行了重復性、穩定性和橫向均勻性分析,各種誤差均小于5%.馬勇等[5]在哈爾濱工程大學的波浪水槽中進行了規則波重復試驗,波高誤差在-2.0%～1.0%,周期誤差為0.2%～2.2%.

文中以武漢理工大學交通學院流體力學實驗室的新改造的小型推板式波浪水槽進行了規則波的穩定性、重復性和波高沿程衰減度的測試分析.首先將試驗波形與二階、三階Stokes波解析波形比較,驗證實驗和測量是成功的.然后對兩組波陡下所做的系列實驗進行波高、波周期性能分析.依據文中測量儀器采集的數據分析可知,該水槽造波的波高的重復性及穩定性誤差均小于5%,波周期的重復性及穩定性誤差均小于0.5%,而且水槽的波高衰減程度,即單位距離波高相對衰減值小于2%,均比較小.

1 造波設備和測量儀器

武漢理工大學交通學院流體力學實驗室槽體主尺度長18 m、寬0.6 m、高0.8 m,見圖1.整個槽體采用的是鋼骨架結構,側壁面和底壁面是2 cm 厚的鋼化玻璃,兩側壁間距誤差小于 2 mm,底壁面水平高度誤差小于1 mm.圖1b)水槽沿程尺寸和實驗時四個浪高儀的布置位置.采用推板式造波,可造規則波、不規則波以及孤立波.

圖1 波浪水槽示意圖

造波機采用電液模擬量的伺服控制方式,推動造波板造波.造波板的材料選用剛度高的電木板,豎直放置,距槽底面約有2 mm的縫隙,距兩側面1～2 mm,推板的最大沖程為±300 mm.伺服控制具有控制精度高、過載能力強和機械性能好等優點,使造波的重復性和穩定性有了保障.

對于消波段的處理,從三個方面進行了設計.①根據建造區域面積特點設計為U形,增加消波段面積,有助于減小波浪反射,見圖2a).②在末端池壁前垂直放置折角板,見圖2b).該折角板的設計使大部分入射波被該板反射到U形結構形式的一側,便于集中耗散波浪能量.③采用柔性組合帆布結構物無約束鋪設在消波段的水面,既可消波,又可減小對入射波的反射,見圖2c).

圖2 波浪水槽消波段結構示意圖

測量波面抬高的儀器為SDA1000型數字浪高儀,其量程為40 cm,誤差在0.5%以內,采樣頻率為100 Hz.試驗時,沿水槽方向布置四個浪高儀p1，p2，p3和p4,其中p1和p2是一組,p3和p4是一組，其位置見圖1b).兩組浪高儀之間距離為S=6.89 m.這種分組的浪高儀布置是為后續在水槽中進行消波模型試驗中分析入射波、反射波和透射波波高準備的,兩組浪高儀之間的空間用于安裝消波試驗模型.

2 試驗波形與Stokes波形比較

試驗時,取了兩種不同波陡(波高/波長)H/L=0.06,0.10造波,以反映水槽造不同非線性程度波的性能;在每個波陡下改變波長做系列造波試驗,以反映對于不同波長的造波性能.

對于波陡H/L=0.06取了14個波長：L=0.55,0.6,0.65,0.7,0.75,0.8,0.85,0.9,1.0,1.1,1.2,1.5,1.8,2.0 m.實際造出的波的量綱一的量參數范圍為：H/(gT2)=0.008～0.009,h/(gT2)=0.02～0.16,在圖3中用*標出.對于波陡H/L=0.10取了13個波長：L=0.55,0.6,0.65,0.7,0.75,0.8,0.85,0.9,1.0,1.1,1.4,1.5,1.8 m.實際造出的波的量綱一的量參數范圍為：H/(gT2)=0.012～0.015、h/(gT2)=0.03～0.16,在圖3中用?標出.圖3為波浪理論適用范圍圖[6].由圖3可知,標記點位于二階Sokes波和三階Stokes波的范圍內.

圖3 試驗非線性波所處的波浪理論范圍

圖4 試驗波形與Stokes波形比較

文中試驗過程中,保持水深h=0.5 m不變.

由圖4可知,圖4a)中試驗波形與二階Stokes波吻合更好,而圖4b)試驗波形與三階Stokes波形更吻合，說明造波系統和測量設備的工作正常.

3 波浪水槽性能測試分析

根據文獻[7]中要求造波設備產生的波形平穩,且重復性好.文中除了對水槽造波的穩定性和重復性進行分析之外,還對波高在傳播方向上的衰減程度進行了分析.

造波測試試驗分別在5月5號和5月13號2 d進行的,分別用0505和0513標記.試驗水深保持0.5 m不變.2 d輸入的造波參數完全相同,實際造波的有因次和無因次參數范圍見第2節.

3.1 波高和周期穩定性分析

按照文獻[7],波高穩定性誤差RH計算式為

(1)

式中:Hmax為最大波高；Hmin為最小波高；H為平均波高.

周期穩定性RT的計算方法同上.

穩定性要求在一次造波過程中，所造波的周期和波高在較長時間內保持穩定。穩定性誤差RH的值越小,表示該水槽所造波越平穩.

穩定性分析選取5月5號這一天造波試驗數據進行分析，見圖5～6.圖中每個波形給出了兩個浪高儀p1和p2的分析結果.

圖5 波高穩定性誤差測試分析

圖6 周期穩定性誤差測試分析

影響造波穩定性的原因可能是造波板與池壁間的縫隙、造波板運動受到水槽一端振蕩波浪力的影響以及浪高儀的性能不良導致測量數據不穩定.由圖5～6可知,該波浪水槽所造波的波高和周期的穩定性誤差均小于5%,說明該水槽的造波穩定性比較好.

3.2 波高和周期重復性分析

按照文獻[7],波高重復性誤差ecH為

(2)

周期重復性ecT的計算方法同上.

重復性要求在多次造波過程中，各次所造波的周期和波高具有良好的同一性。重復性誤差數值越小,則表示波浪水槽的重復性越好.

重復性分析采用0505和0513兩次的試驗結果進行分析，見圖7～8.圖中縱坐標ecH和ecT分別為水槽所造波的波高和周期重復性誤差.

圖7 波高重復性誤差測試分析

圖8 周期重復性誤差測試分析

圖7a)中7號波的周期和波高的重復性誤差值偏大,查看兩次試驗中7號波的原始波形,發現其中一次測得的數據偏小,原因可能是浪高儀故障導致測量出錯.除此之外,由圖7可知,水槽的波高重復性誤差一般不超過5%,說明兩次試驗水槽的波高非常接近；由圖8可知,水槽的周期重復性誤差小于0.5%,幾乎為0,說明兩次試驗造波機的周期基本相同.從分析可知,該造波機在伺服電機的驅動下,具有優良的波高和周期重復性.

3.3 波高沿程衰減程度分析

波浪沿水槽長度方向傳播,由于水的粘性等因素影響,其波高呈衰減趨勢.

文中波高沿程衰減程度采用單位距離相對波高沿程衰減程度Hd來表示，即

Hd=(|H1-H2|/H1/S)×100%

(3)

式中：H1為p1浪高儀測量的平均波高；H2為p3浪高儀測量的平均波高.p1、p3浪高儀之間的距離S=6.89 m.

Hd值越大,衰減程度越大.

圖9為兩組無因次波形參數為H/(gT2)=0.008～0.009和H/gT22=0.012～0.015的波高沿程衰減程度散點圖.

圖9 波高衰減程度測試分析

由圖9可知,單位距離波高的衰減程度均小于2%.波高衰減主要來自流體粘性,以及對于非線性波采用線性造波理論有一些關系,后續會進行改進.

4 結 束 語

文中分析了武漢理工大學流體力學試驗室的伺服電機驅動、線性造波理論、推板造波的小型波浪水槽在水深0.5 m時所造波的重復性、穩定性和沿程衰減程度.數據分析可知,該水槽的波高的重復性及穩定性誤差均小于5%,波周期的重復性及穩定性誤差均小于0.5%,而水槽的單位距離波高衰減程度小于2%.該波浪水槽的設計和建造為水波問題研究提供了重要的平臺.

[1] ERNST H W, WILHELM E W. Wellenlehre: auf experimente gegrundet oder uber die wellen tropfbarer flussigkeiten mit anwendung auf die schall-und licthwellen[M]. Leipzig: Nabu Press,1825.

[2] 殷缶,梅深.全球最大波浪實驗水槽首次實驗成功[J].水道港口,2014(5):502-502.

[3] 劉月琴,尹尚先.實驗室造波設備及波浪模擬技術的探討[J].華南理工大學學報(自然科學版),2000,28(6):105-109.

[4] 吳珷.70 m水槽造波機性能研究[J].重慶交通大學學報(自然科學版),1996,15(3):85-91.

[5] 馬勇,由世洲,馬良,等.波浪生成研究和實驗教學用水槽系統設計[J].船海工程,2012,41(4):88-91.

[6] BERNARD L M. An introduction to hydrodynamics and water waves[M]. New York: Springer,1976.

[7] 中華人民共和國交通部.波浪模型試驗規程：JTJ/T234-2001[S].北京：人民交通出版社，2002.

Performance Test and Analysis on a Small Piston-type Wave Flume

PANJun1)WUJingping1,2)JIANGMansong1)ZHENGXiaowei1)ZHAOXiaosa1)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(GreenShipandMarineEngineeringEquipmentTechnologyResearchCentre,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)2)

A wave flume is an important experiment facility to study the problem of wave motion and wave-structure interaction. The important factors, such as the repeatability, stability and the attenuation degree of the wave have remarkable effect on the experiment design and the choice of result analysis method. The small piston-type wavemaker flume at the Fluid Mechanics Laboratory, School of Transportation, Wuhan University of Technology, was used to conduct the performance test and analysis of flume wave, including the repeatability and stability analysis on height and period of regular wave and the attenuation degree analysis on wave height. The results indicate that the errors on wave height, repeatability and stability of period, and the attenuation degree of wave height in unit distance are small with wave flume.

wave flume; piston-wavemaker; repeatability; stability

U656.2

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.06.021

2017-10-06

盤俊(1993—)：男,碩士生,主要研究領域為工程流體力學

*國家自然科學基金項目資助(51679177)