[发明专利]一种三维耦合测控装置及方法

说明书

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。

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。