自主研发数值波浪水槽及其在海洋工程与技术专业实验教学中的应用

摘  要：针对物理模型实验成本高且存在比尺限制等问题，采用光滑粒子流体动力学（SPH）方法自主研发数值波浪水槽，并与物理波浪水槽相结合应用于海洋工程与技术专业的波浪实验课程教学。教学改革和实践表明，数值与物理波浪水槽相辅相成，可为学生提供灵活机动的创新实验平台，基于数值波浪水槽的虚拟仿真实验可充分调动学生积极探索的热情和主动学习的兴趣，为培养海洋工程与技术专业的领军人才奠定坚实基础。

关键词：数值波浪水槽;虚拟仿真;教学改革

中图分类号：G642       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）34-0104-04

Abstract： Combined with the physical wave tank， the numerical wave tank is applied to the wave experiment teaching of marine engineering and technology major by using the smooth particle hydrodynamics（SPH） method due to the high cost and scale limitation of physical model. The teaching reform and practice show that the complementation of numerical and physical wave tank can provide flexible innovative experimental platform for undergraduate students. Virtual simulation experiment based on numerical wave tank can fully mobilize students' enthusiasm for active exploration and interest in active learning， and lay a solid foundation for training leading personnel in Marine Engineering and Technology.

Keywords： numerical wave tank; virtual simulation; teaching reform

波浪的形成变化及传播规律是研究海岸地貌演变、港口及航道工程及海岸带资源利用与保护的基础，是土木、水利及海洋工程专业学生需牢固掌握的基本内容[1]。目前研究波浪传播变化规律的主要方法包括物理模型试验法、现场观测法、理论分析法及数值模拟计算法。其中，物理模型试验法通常采用实验波浪水槽研究波浪传播运动，该方法的优点在于物理概念清晰、直观形象，但由于波浪水槽造价成本高，且受到物理模型与实际原型的比尺限制，在实际应用和推广实践中存在一定不足。随着计算流体力学和数值仿真技术的发展，自主研发数值波浪水槽已成为弥补物理模型试验不足的重要研究方向。与物理模型试验相比，数值仿真具有可重复性、边界条件易于控制、计算速度快、软件通用性好等优点，能够显著提高实验波浪水槽的教学实践效果。因此，数值仿真技术与物理波浪水槽实验相结合，是未来实验教学的重要发展方向。

中山大学海洋工程与技术学院实验教学中心拥有一台高精度多功能实验波浪水槽（如图1（a）所示），每年承担大量的专业实验教学和大学生创新创业训练计划项目的实验任务，教学实验需求量大，水槽设备使用效率高。自主研發数值波浪水槽虚拟仿真技术（如图1（b）所示）可有效缓解教学实验压力，提高教学效率，对海洋工程与技术实验教学的升级及海洋工程领军人才的培养具有重要意义。

一、数值波浪水槽虚拟仿真技术的自主研发

（一）数值波浪水槽建设总体方案

先进的数值仿真技术与传统实验教学相结合的思路，是培养学生提升本专业学习兴趣，充分利用现有教学资源，推进实践与理论相结合的创新教学模式[2]。数值波浪水槽作为近年来广泛应用于海洋工程与技术专业的新型实验教学设备，为学生提供灵活机动的创新实验平台，提升专业实验课的教学质量。中山大学海洋工程与技术学院目前开设海岸动力学实验、海洋沉积学实验、泥沙运动力学基础实验等数门教学实验课，对波浪的数值仿真是研究波浪运动对河口海岸地带“动力-沉积-地貌”格局演变的有效切入点。由于传统的物理模型实验成本高，且其比尺受到限制[3]，因此易造成学生对波浪运动过程的特征及规律认识深度不足。针对此技术难题，中山大学海洋工程与技术学院教学团队采用光滑粒子流体动力学（SPH）方法自主研发数值波浪水槽，并与物理波浪水槽相结合，克服其缺点，完善数值波浪水槽的虚拟仿真功能，并应用于海洋工程与技术专业的实验教学。

（二）数值波浪水槽虚拟仿真技术研发

数值波浪水槽虚拟仿真技术采用光滑粒子流体动力学（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）方法进行建模计算，该方法相对于传统的基于网格的数值方法，由于其不需要依赖网格来辅助计算，因此能避免因网格存在而导致的计算困难。在实验水槽中模拟波浪、水流，研究波浪和水流对水体中船体、港口工程和海洋工程建筑物的作用，可为工程设计和科学研究等提供重要技术支撑[4-5]。采用伺服电机驱动的单向不规则造波机，在室内高质量地模拟三维波浪，广泛应用于波浪的传播变化研究、波浪与海岸工程结构物的作用研究、船舶在波浪作用下的运动研究、海洋油气平台开发研究、波浪与水流的相互作用研究、台风波浪的模拟以及考虑波浪影响的海上工程防灾减灾研究等[6-9]。

自主研发的数值波浪水槽可进行规则波（如正弦波、椭圆余弦波、二阶波等，如图2所示）和不规则波（规范谱、JONSWAP谱、PM谱、BM谱、ITTC谱、ISSC谱等，如图3所示）的运动模拟，完全可以达到物理水槽的造波能力。自主研制的数值波浪水槽采用人性化设计理念，克服物理模型的局限性，能够方便快捷地测量波浪要素，功能全面，系统维护简单，可扩展性强。在对波浪传播过程的模拟上，针对不同边界条件、水质点个数，对各种条件下的波浪运动进行虚拟仿真，绘制水质点的流场和压力场分布图，直观地了解波浪要素的变化，对海洋工程与技术等相关专业的实验教学效果提供重要技术支撑。

二、数值波浪水槽虚拟仿真技术的教学实践

数值波浪水槽虚拟仿真技术投入教学实践以来收效显著，与物理波浪水槽形成优势互补，在改进教学模式、丰富教学内涵、完善教学体系等方面均发挥重要支撑作用。

（一）采用数值波浪水槽虚拟仿真技术，改进实验教学模式

数值波浪水槽与物理波浪水槽功能一致，能按需求输入与物理水槽相同的波浪特征参数和边界条件，对教学实验中的不同形态波浪进行模拟验证以及敏感性试验。与物理波浪水槽不同，数值波浪水槽不受时间和空间限制，既方便学生进行课前自主预习，提高课堂实验教学效率，又方便学生在课后对实验现象进一步深入了解和反复学习，加深对实验原理和结论的认知理解[10]。同时，数值波浪水槽虚拟仿真技术的应用，大幅降低物理模型运作的耗材和维护成本，克服学生受设备数量限制而无法亲自操作实验的困扰，生动自主的虚拟仿真操控界面也有利于调动学生对波浪实验的自主学习热情，可以锻炼学生，有效改进传统单一的实验教学模式。

（二）结合数值波浪水槽和物理波浪水槽对比验证，丰富实验教学内涵

在多数物理波浪水槽模拟实验中，由于受到仪器（造波机和消波器）、拖动系统、水槽边壁、搭接缝、模型等因素的干扰，导致物理波浪水槽结果与理论分析结果对比会出现一定偏差。数值波浪水槽和物理波浪水槽实验的互补验证，增加实验结果的可信度与严谨度。同时，数值波浪水槽模拟和物理波浪水槽模拟实验的对比验证过程是理论与实践的有机结合，既有助于提升学生数值模型构建能力，亦有助于充分锻炼学生物理模型的搭建能力，显著提升学生运用多种实验方法探究科学问题的能力，培养学生全方位的科研综合能力，以此丰富本实验的教学内涵。

（三）“学生自主创新，教师引导为辅”，完善实验教学体系

基于自主研发数值波浪水槽虚拟仿真技术，可进一步完善实验教学体系，学生可基于虚拟仿真技术独立进行实验设计、实验准备、实验开展、实验结果记录、实验报告撰写，教师的作用以引导为辅，除课堂教学外，课外教师可借助系统对学生的提问给予解答，对报告进行批改，以形成及时的师生反馈。以往的本科专业实验教学中，由于学生对实验环境了解不足、缺乏实践动手经验，常出现实验构想与实验现象偏差较大的情况。数值波浪水槽在降低成本的前提下，让学生参与完整的实验过程，引导学生在实验设计上的自主思考。此外，数值波浪水槽虚拟仿真技术也为挖掘学生的创新能力和综合素养提供创新实验平台，学生可随时设计不同波浪要素影响因子下的波浪场工况，验证新构想的可行性，进而催生其创新思维的萌芽[11]。此虚拟仿真技术具有设备原理直观、操控方便、安全性高、可视化程度高、实验误差小、性价比高等优点，可推广到其他海洋工程、近岸港口航道院校及相关科研单位。

三、结束语

随着计算机数值仿真技术的高速发展，数值仿真实验与物理模型试验相结合的教学方式是未来海洋工程与技术专业实验教学的必然要求和发展趋势[2]。中山大学海洋工程与技术学院实验中心采用数值波浪水槽与物理波浪水槽相结合的创新教学模式，充分调动学生独立探索、自主学习、创新实践的热情，在改进教学模式、丰富教学内涵、完善教学体系等方面均达到良好的实验教学效果。

参考文献：

[1]沈超，刘曙光，付小莉，等.基于数值波浪水槽的港航专业实验教学改革与实践[J].实验技术与管理，2018，35（2）：59-61+66.

[2]柳洪洁，宋月鹏，马兰婷，等.国内外虚拟仿真教学的发展现状[J].教育教学论坛，2020（17）：124-126.

[3]李杰.基于推板造波方法的数值波浪水槽性能研究[J].四川建筑，2019，39（1）：143-146.

[4]Sun P， Luo M， Le Touzé D， et al. The suction effect during freak wave slamming on a fixed platform deck： Smoothed particle hydrodynamics simulation and experimental study[J]. Physics of Fluids， 2019，31（11）：117108.

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[10]邓绍云.数值造波技术发展现状及展望[J].水利科技与经济，2015，21（4）：5-7.

[11]付小莉，张斌，李卫超，等.SPH技术在波浪运动特性虚拟仿真实验中的应用[J].实验技术与管理，2021，38（5）：140-144.