小型推板式波浪水槽的性能测试分析*

盘 俊 吴静萍 姜曼松 郑晓伟 赵小仨

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (武汉理工大学绿色船舶与海工装备技术研究中心2) 武汉 430063)

小型推板式波浪水槽的性能测试分析*

盘 俊1)吴静萍1,2)姜曼松1)郑晓伟1)赵小仨1)

(武汉理工大学交通学院1)武汉 430063) (武汉理工大学绿色船舶与海工装备技术研究中心2)武汉 430063)

波浪水槽是研究波浪运动及其与结构物相互作用问题的试验设备,其造波的重复性、稳定性和沿程衰减程度会影响试验方案设计和所采用的试验结果分析方法.文中结合武汉理工大学交通学院流体力学试验室新改建的小型推板式波浪水槽,展开了水槽造波性能测试分析,主要涉及规则波的波高和周期的重复性、稳定性,以及波高沿程衰减程度.结果表明,水槽造波的波高和波周期的重复性与稳定性误差,以及单位距离波高沿程衰减程度均较小.

波浪水槽；推板式造波；重复性；稳定性

0 引 言

波浪水槽再现实际海浪,进行各种与波浪运动相关的研究是目前海岸工程、港口与航道工程、船舶与海洋工程等行业重要的试验研究设备.

Ernst等[1]在一个小到1 in宽的水槽内通过注满流体的管体泻流来产生波浪到目前世界上最大的长×宽×高为450 m×5 m×12 m的天科院大比尺度推板造波水槽之后,国内外已经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摇板式[2].推板式适用于浅水造波,摇板式适用于较深水造波.而且仅推板式波浪水槽也是为数众多,如德国汉诺威大学110 m×1 m×1.2 m的大型推板式造波的波浪水槽,新加坡国立大学38 m×0.9 m×0.9 m的中型推板式造波波浪水槽,英国诺丁汉大学15 m×0.2 m×0.5 m的小型推板造波波浪水槽,挪威科技大学13 m×0.6 m×1 m的小型推板造波波浪水槽,麻省理工学院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、试验段和消波段组成.水槽的造波技术和消波方法对水槽的性能起着决定性作用.文中波浪水槽的性能测量分析是在试验段进行的.

刘月琴等[3]对华南理工大学32 m×1 m×1.5 m的中型推板式造波的波浪水槽进行了造不规则波的稳定性和重复性分析,其平均波高误差小于4.87%,平均周期误差小于4.59%,波高重复性误差小于1.87%.吴珷[4]对重庆交通学院水港系72 m×1.5 m×1.7 m的大型推板造波水槽进行了重复性、稳定性和横向均匀性分析,各种误差均小于5%.马勇等[5]在哈尔滨工程大学的波浪水槽中进行了规则波重复试验,波高误差在-2.0%～1.0%,周期误差为0.2%～2.2%.

文中以武汉理工大学交通学院流体力学实验室的新改造的小型推板式波浪水槽进行了规则波的稳定性、重复性和波高沿程衰减度的测试分析.首先将试验波形与二阶、三阶Stokes波解析波形比较,验证实验和测量是成功的.然后对两组波陡下所做的系列实验进行波高、波周期性能分析.依据文中测量仪器采集的数据分析可知,该水槽造波的波高的重复性及稳定性误差均小于5%,波周期的重复性及稳定性误差均小于0.5%,而且水槽的波高衰减程度,即单位距离波高相对衰减值小于2%,均比较小.

1 造波设备和测量仪器

武汉理工大学交通学院流体力学实验室槽体主尺度长18 m、宽0.6 m、高0.8 m,见图1.整个槽体采用的是钢骨架结构,侧壁面和底壁面是2 cm 厚的钢化玻璃,两侧壁间距误差小于 2 mm,底壁面水平高度误差小于1 mm.图1b)水槽沿程尺寸和实验时四个浪高仪的布置位置.采用推板式造波,可造规则波、不规则波以及孤立波.

图1 波浪水槽示意图

造波机采用电液模拟量的伺服控制方式,推动造波板造波.造波板的材料选用刚度高的电木板,竖直放置,距槽底面约有2 mm的缝隙,距两侧面1～2 mm,推板的最大冲程为±300 mm.伺服控制具有控制精度高、过载能力强和机械性能好等优点,使造波的重复性和稳定性有了保障.

对于消波段的处理,从三个方面进行了设计.①根据建造区域面积特点设计为U形,增加消波段面积,有助于减小波浪反射,见图2a).②在末端池壁前垂直放置折角板,见图2b).该折角板的设计使大部分入射波被该板反射到U形结构形式的一侧,便于集中耗散波浪能量.③采用柔性组合帆布结构物无约束铺设在消波段的水面,既可消波,又可减小对入射波的反射,见图2c).

图2 波浪水槽消波段结构示意图

测量波面抬高的仪器为SDA1000型数字浪高仪,其量程为40 cm,误差在0.5%以内,采样频率为100 Hz.试验时,沿水槽方向布置四个浪高仪p1，p2，p3和p4,其中p1和p2是一组,p3和p4是一组，其位置见图1b).两组浪高仪之间距离为S=6.89 m.这种分组的浪高仪布置是为后续在水槽中进行消波模型试验中分析入射波、反射波和透射波波高准备的,两组浪高仪之间的空间用于安装消波试验模型.

2 试验波形与Stokes波形比较

试验时,取了两种不同波陡(波高/波长)H/L=0.06,0.10造波,以反映水槽造不同非线性程度波的性能;在每个波陡下改变波长做系列造波试验,以反映对于不同波长的造波性能.

对于波陡H/L=0.06取了14个波长：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.实际造出的波的量纲一的量参数范围为：H/(gT2)=0.008～0.009,h/(gT2)=0.02～0.16,在图3中用*标出.对于波陡H/L=0.10取了13个波长：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.实际造出的波的量纲一的量参数范围为：H/(gT2)=0.012～0.015、h/(gT2)=0.03～0.16,在图3中用•标出.图3为波浪理论适用范围图[6].由图3可知,标记点位于二阶Sokes波和三阶Stokes波的范围内.

图3 试验非线性波所处的波浪理论范围

图4 试验波形与Stokes波形比较

文中试验过程中,保持水深h=0.5 m不变.

由图4可知,图4a)中试验波形与二阶Stokes波吻合更好,而图4b)试验波形与三阶Stokes波形更吻合，说明造波系统和测量设备的工作正常.

3 波浪水槽性能测试分析

根据文献[7]中要求造波设备产生的波形平稳,且重复性好.文中除了对水槽造波的稳定性和重复性进行分析之外,还对波高在传播方向上的衰减程度进行了分析.

造波测试试验分别在5月5号和5月13号2 d进行的,分别用0505和0513标记.试验水深保持0.5 m不变.2 d输入的造波参数完全相同,实际造波的有因次和无因次参数范围见第2节.

3.1 波高和周期稳定性分析

按照文献[7],波高稳定性误差RH计算式为

(1)

式中:Hmax为最大波高；Hmin为最小波高；H为平均波高.

周期稳定性RT的计算方法同上.

稳定性要求在一次造波过程中，所造波的周期和波高在较长时间内保持稳定。稳定性误差RH的值越小,表示该水槽所造波越平稳.

稳定性分析选取5月5号这一天造波试验数据进行分析，见图5～6.图中每个波形给出了两个浪高仪p1和p2的分析结果.

图5 波高稳定性误差测试分析

图6 周期稳定性误差测试分析

影响造波稳定性的原因可能是造波板与池壁间的缝隙、造波板运动受到水槽一端振荡波浪力的影响以及浪高仪的性能不良导致测量数据不稳定.由图5～6可知,该波浪水槽所造波的波高和周期的稳定性误差均小于5%,说明该水槽的造波稳定性比较好.

3.2 波高和周期重复性分析

按照文献[7],波高重复性误差ecH为

(2)

周期重复性ecT的计算方法同上.

重复性要求在多次造波过程中，各次所造波的周期和波高具有良好的同一性。重复性误差数值越小,则表示波浪水槽的重复性越好.

重复性分析采用0505和0513两次的试验结果进行分析，见图7～8.图中纵坐标ecH和ecT分别为水槽所造波的波高和周期重复性误差.

图7 波高重复性误差测试分析

图8 周期重复性误差测试分析

图7a)中7号波的周期和波高的重复性误差值偏大,查看两次试验中7号波的原始波形,发现其中一次测得的数据偏小,原因可能是浪高仪故障导致测量出错.除此之外,由图7可知,水槽的波高重复性误差一般不超过5%,说明两次试验水槽的波高非常接近；由图8可知,水槽的周期重复性误差小于0.5%,几乎为0,说明两次试验造波机的周期基本相同.从分析可知,该造波机在伺服电机的驱动下,具有优良的波高和周期重复性.

3.3 波高沿程衰减程度分析

波浪沿水槽长度方向传播,由于水的粘性等因素影响,其波高呈衰减趋势.

文中波高沿程衰减程度采用单位距离相对波高沿程衰减程度Hd来表示，即

Hd=(|H1-H2|/H1/S)×100%

(3)

式中：H1为p1浪高仪测量的平均波高；H2为p3浪高仪测量的平均波高.p1、p3浪高仪之间的距离S=6.89 m.

Hd值越大,衰减程度越大.

图9为两组无因次波形参数为H/(gT2)=0.008～0.009和H/gT22=0.012～0.015的波高沿程衰减程度散点图.

图9 波高衰减程度测试分析

由图9可知,单位距离波高的衰减程度均小于2%.波高衰减主要来自流体粘性,以及对于非线性波采用线性造波理论有一些关系,后续会进行改进.

4 结 束 语

文中分析了武汉理工大学流体力学试验室的伺服电机驱动、线性造波理论、推板造波的小型波浪水槽在水深0.5 m时所造波的重复性、稳定性和沿程衰减程度.数据分析可知,该水槽的波高的重复性及稳定性误差均小于5%,波周期的重复性及稳定性误差均小于0.5%,而水槽的单位距离波高衰减程度小于2%.该波浪水槽的设计和建造为水波问题研究提供了重要的平台.

[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.全球最大波浪实验水槽首次实验成功[J].水道港口,2014(5):502-502.

[3] 刘月琴,尹尚先.实验室造波设备及波浪模拟技术的探讨[J].华南理工大学学报(自然科学版),2000,28(6):105-109.

[4] 吴珷.70 m水槽造波机性能研究[J].重庆交通大学学报(自然科学版),1996,15(3):85-91.

[5] 马勇,由世洲,马良,等.波浪生成研究和实验教学用水槽系统设计[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] 中华人民共和国交通部.波浪模型试验规程：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

盘俊(1993—)：男,硕士生,主要研究领域为工程流体力学

*国家自然科学基金项目资助(51679177)