[发明专利]一种短时间内在波浪水槽中产生连续聚焦波浪的造波方法

摘要

本发明提供一种短时间内在波浪水槽中产生连续聚焦波浪的造波方法，采用推板式或摇板式造波机造波，利用基于单个聚焦波的原理推导产生多个聚焦波的造波方法，该方法可以得到能够用于波浪水槽产生连续聚焦波的推板造波机位移信号，将该位移信号载入造波机造波系统，便可以在水槽中产生连续聚焦波。通过具体波浪水槽试验，验证了本发明所提出的连续聚焦波造波方法的有效性与准确性。应用本发明所提出的造波方法，可以在短时间在波浪水槽中产生多个聚焦波浪，使得聚焦波浪的重复试验成为可行方案，可以极大地缩短试验所用采样时间，提高水槽试验的效率。

主权项

1.一种短时间内在波浪水槽中产生连续聚焦波浪的造波方法，当采用推板式造波机造波，其特征在于，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：Nf——组成谐波总数；ai——组成波的振幅(m)；ki——组成波波数；ωi——组成波角频率(rad/s)；φi——组成波的初始相位(rad)；波数与频率满足色散关系：ωi2＝gkitanh(kid)  (2)其中：g——重力加速度；d——水深(m)；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  (3)则各组成波的初相位满足下式φi＝‑kixb+ωitb+2mπ,m＝0，±1，±2，…  (4)将式(4)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；在上式(5)中，各谐波的振幅一般按照特定的波幅谱确定，目标聚焦波的波幅A则由输入的频谱参数确定，定义Amax为波浪聚焦点处的聚焦波幅则有当给定的聚焦波波幅Amax为正值时，波浪为波峰聚焦，当给定的聚焦波波幅Amax为负值时，所产生的聚焦波波浪就是波谷聚焦的聚焦波；波幅谱采用不规则波浪谱确定，波浪试验波浪谱选用JONSWAP谱，其谱形式如下：式中α为波浪谱能量尺度参量，fp为波浪谱峰值频率，γ为波浪谱谱峰升高因子，σ为波浪谱峰形参数，其取值为：波浪谱能量尺度参量α的确定方法为：确定聚焦波的振幅为：造波机处于x＝0处，由线性造波理论，若在水槽中某一位置xb产生聚焦波浪则造波机的运动为：其中T(fi)为推板式造波机的水力传递函数，由下式确定：式中d为造波板前水深；对式(4)中的聚焦时间tb取不同数值，既得到一系列不同时刻在聚焦点xb处聚焦的聚焦波，代入式(5)即得到水槽中任意位置的波面为：对式(13)中的聚焦时间tbj分别取值即能够生成聚焦时间为一定间隔的连续聚焦波；在式(13)中取x＝0求得造波板位置处的包含各频率成分波面时程曲线：将其中所包含各频率成分的波面时程曲线带回式(11)得造波板运动信号：产生连续聚焦波浪时，根据需要选择合适的峰值频率和目标波高后便通过式(7)获得聚焦波各频率组份的波幅，选择合适的波浪聚焦位置和聚焦时刻后，按照式(15)计算出造波板推板位移，将推板位移信号载入推板式造波机的造波系统，便能够在水槽中产生连续聚焦波。