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1、造波机无反射技术研究与应用 天津大学硕士学位论文造波机无反射技术研究与应用姓名:张鹏申请学位级别:硕士专业:计算机应用技术指导教师:车明20070101中文摘要水运工程建设是传统行业,其建设技术的发展日新月异,为了检验设计的合理性和对设计方案进行优化,造波机是必不可少的设备。无反射造波技术是水运工程领域技术的前沿课题。本文从分析无反射造波理论入手,介绍了水槽式和港池式两种无反射造波机的研制过程,开发了拥有自主知识产权的无反射造波技术控制软件包,包括水槽不规则波无反射造波机控制软件和港池不规则波无反射造波机控制软件,该控制软件具有构思新颖、操作简便、运行速度快、性能稳定等特点。结合大量的实验数据
2、,验证了无反射造波技术的先进性和可靠性。两种造波机整体系统性能及控制理论水平已达到国际先进水平。关键词:造波机;无反射造波:不规则波认 ,. . , ,. ?. . ,. . .: :;独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果,除了文中特别加以标注和致谢之处外,论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得丕叠盘茎或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名:签字日期:珈哆年,月订日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解苤奎盎茎有关保留、使
3、题学位论文的规定。特授权苤叠盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。保密的学位论文在解密后适用本授权说明保密期年。学位论文作者签名: 导师签名:弓长哟签字目期: ,月厂日 签字日期:加年 叩年,月衍日第一章概述第一章概述.项目的提出水运工程建设是传统行业,其建设技术的发展日新月异,为了检验设计的合理性和对设计方案进行优化,以取得经济合理的效果,往往需要通过物理模型进行必要的试验研究。在试验中根据相似准则人为模拟波浪、水流等动力条件,观测动力条件与水工建筑物的相互作用是
4、常见的研究内容之一,为了正确模拟波浪,造波机是必不可少的设备。在波浪物理模型试验中,由于水工建筑物及地形对波浪的反射作用至造波板引起的波浪二次反射波在自然界是不存在的,因此它的存在必然要对试验结果产生不利影响,特别是不规则波试验造波时间长其影响更大。对于开敞式码头试验、波浪泥沙试验,以及确定水工建筑物附近水域在波浪长时间作用下的波浪场情况的研究,二次反射影响会引起试验结果的严重偏差。以往消除多次反射的途径主要有二:一是在二次反射波到达试验区之前结束试验;二是通过分隔水槽以达到反射结构物占据其宽度的一小部分。这些方法对于试验而言,所耗费的时间及人力、物力都比较大,而且模拟的精度也不是十分理想。为
5、了达到试验模拟结果精确、高效的效果,现在在消除造波板的二次反射波问题上有了比较高效的方法就是实时吸收的无反射造波技术。目前,在国外此项技术已经形成了产品,而在我国尚停留在理论研究的层面上。因此,在现有设备的技术基础上进行研究改进,消除和减少二次反射的影响,以期满足目前港工试验技术的发展是非常必要的。根据交通部交规划发号文关于部天津水科所工程泥沙实验室港池蛇形不规则造波机系统升级改造项目可行性研究报告的批复的要求,交通部天津水运工程科学研究所与天津理工大学共同承担了进行了无反射技术的研究工作,并成功的在水槽和港池不规则造波机上得以实现,取得了比较满意的成果。.国内外现状目前世界上先进的造波设备,
6、很多已实现了无反射造波。无反射造波技术的研究在国际上从年代就已开始。年丹麦以及美国海岸工程研究中心和挪威水动力试验室都已实现了多方向造波机的无反射技术,年,日本运输省港湾技术研究所也研制出了新型水槽无反射造波机。世纪末,这些国家相继研制出了港池无反射蛇形造波机。国外各研究机构重视设备投入、不断进行技术更新和改造,使造波技术和设备更加完善,并已广泛商品化,其在无反射造波技术的研究工作上始终处于较高的水平。在国内,南京水利科学研究院在年代从丹麦进口的一台水槽不规则造波机上曾带有消除二次反射的装置但用后不久就已损坏,至今一直未能修复,不得不采用惯用的分隔水槽以减少二次反射的做法。年月天津港湾工程研究
7、第一章概述所从日本引进了一台.宽的水槽无反射造波机,已通过验收调试。大连理工大学有关技术人员正在研究水槽无反射造波技术,已取得部分理论成果。在我国台湾省内的一些研究机构己先后引进了无反射造波技术,并自主开发了控制软件,他们曾到大陆一些单位进行交流和推广,但效果很难令人满意,并不十分成功。结合国内外现状及本项目的研究,交通部天津水运工程科学研究所和天津理工大学联合在原有设备的基础上对水槽及港池造波机进行了无反射造波技术的研究升级,并应用于实践,取得了成功,为我国的无反射造波技术开辟了新的天地。.研究目的该项目的研究是为了消除和减少造波板的二次反射,以提高波浪模拟精度,使试验模拟的结果更趋于精确,
8、并在借鉴国外先进技术和经验的基础上,开发拥有自主知识产权的无反射造波系统,填补国内该项技术的空白,为国家节省宝贵的资金。另外,我国目前许多研究机构都拥有港池和水槽造波机,但这些造波设备大都未实现无反射造波,本项目的研究与应用,将为这些造波机的升级换代提供了可能,并为本项目技术的推广应用创造了良好前景。.技术目标与要求无反射造波技术的依托对象为波浪试验水槽和港池,水槽尺度为长宽深.。采用电液伺服系统驱动推板式不规则波造波机生波,可产生的最大波高达。港池尺度为.,生波设备由台电液伺服系统驱动的推板式. 蛇形不规则波造波机组成,可产生的最大波高达。通过对该水槽和港池造波机无反射技术的研究,使得升级后
9、的造波机具有无反射的功能,使试验模拟精度和稳定性明显提高,在有直立式水工建筑物、试验连续运行的情况下,使实际模拟的入射波谱和目标谱趋于一致,其精度完全符合波浪模型试验规程 的要求,即.波能谱总能量的允许偏差为%;.峰频模拟值的允许偏差为%;.在谱密度大于或等于.倍谱密度的范围内,谱密度分布的允许偏差为%;.有效波高、有效波周期或谱峰周期的允许偏差为%;.模拟的波列中%累积频率波高、有效波与平均波高比值的允许偏差为%;通过该项目的研究,使无反射造波技术实现国产化,资金投入与国进相比能节省资金%以上。造波机整体系统性能及控制理论水平应达到国际先进水平。.本人在无反射造波技术研究中的工作重点本人在此
10、次无反射造波技术研究中所负责的工作为控制软件的编写和控制算法的调整。首先根据已有的无反射控制理论编写无反射控制算法,然后结合系第一章概述统硬件条件编写控制软件软件分为两部分:水槽不规则波造波机无反射控制软件和港池不规则波造波机无反射控制软件,进行实验数据分析,结合实测数据分析无反射控制效果,并对控制算法进行调整,最后完成无反射的控制目标。第二章技术原理与方法第二章技术原理与方法造波机无反射造波技术的基本原理是通过在造波板前设置水位传感器,实时采集水面过程,进行入反射分离,针对反射波产生一个相位相反、幅度相等的“负波,以消除二次反射波吲。因此需要对造波板的运动与水面过程进行分析。.造波理论方程传
11、统不规则波波浪水槽布置见下图:了逼圩? 碍?一厂、.?可 ,.邺.二。【 一 ,图波浪水槽布置图假定流体无粘、不可压缩、无旋,造波机的运动相对于波浪的传播为小量,则造波机产生波浪的控制方程为方程,波浪的运动过程为平面内的二维运动删:,一皇。式中:,为速度势函数,满足以下边界条件: ; 打驴;:;西,: :?珐:一三,式中:为造渡机的运动位移过程,为水面相对于静水面的高度变化过程。,在无限远处满足散射条件:一行进波文一 ?以上,是表示,方向上的变量,为时间变量,为重力加速度。在没有反射波存在的情况下,为了产生频率为的波浪,假定造波机的运动为一简谐运动石,即:,其中:为造波机运动的振幅,采用线性波
12、理论,方程的解为:第二章技术原理与方法,.。.甜其中:兰墅些:丝一上,口?面 见面丽?:一?.一国 /。妇式中:为水深,波速七和虚波数屯满足下列色散公式:.,尘:七劬肋:吒 。式中右边第二项,当.:很大时,相应虚部即水面变化趋于零,转化可得造波机行进波/,为嘛力丢罢?耐】可见,函数为行进波的振幅与造波板运动振幅的比值,称为造波机系统的水动力传递函数。吸收式造波机的原理现假定水槽中存在着一列向造波机推进的反射波巧,造波机的动作就是要消除该列波,可见造波机要产生一与/,相位相反,幅值相等的波浪。造波板用于吸收,对应产生的运动为:?,西,奴耐?/.,。,磅考虑吸收波的佝时,产生期望的推进波,则造波机
13、的运动:,工,第二章技术原理与方法彳耐此时:工,鲈力彳,【】一 /,。苫双则在,;链造波机前的水面波动刁为:言争蛳吐四见由于产生所需波浪的造波运动置是已知的,可用,与表达式,得:?/一造波机处,并由和得:譬:冰概:,百础褶代入?式得:警扣/式中,己知,/。可通过固定在造波机上的波高仪测定,可见可通过求解该方程,得到每时刻实时用于产生预期波浪并同时吸收反射波浪的造波机信号。在初值为零的基础上,造波板的位移为:“害出?詈【召,一刁由于、都是频率的函数,因而处理包括无穷数量的不同频率组分的需要特别的处理技术,在我们的研究范围内与国成一比例,因而通过导数得到:/国瓦赦。第二章技术原理与方法.不规则波的
14、考虑当模拟不规则波时,式中的也是由不同频率组分组成的,如果我们的水槽模拟的是.一范围内的波浪,就应对该频率范围的波浪都有较好的吸收,此时采用某一个频率是不合理的,通过分析,可以得到在频率范围内处于一个相对稳定的数值,因此可将式写为:筹分旷”甄同样式可写为:妄西多吲沪啪甄.非线性项的考虑进一步分析式有:多啪/.出罟甄西姚,黧戳搿囊驾冀舞鬻彰则:蚌肛.:型由于,表达为该时刻的速度,我们用上一时刻的置来表达,取前时刻:五。罟驴怕同时在积分过程中,常数将表现为一个误差积累过程,该误差主要是初值第二章技术原理与方法的误差以及过程中多种误差的积分,对于一个相对无限长的时间,私亦即:掣手胁。;%同样,用表达有限时间的令,即:.?。则:一彳;砌由此,取过程系数:酬则”参习“】,?历.夕?,、.一,.多方向不规则波斜向反射波的考虑首先我们看多方向不规则波的模拟,根据海港水文规范,考虑织功,用双重叠加法模拟过程:?耐一似够耐】,?口删乒丽淹函历西式中为随机初始相位,取为【内的随机分布,计算采用伪随机数。?%.。孑幺岛尹口 ,
