張亞群，姜家強(qiáng)，盛松偉，游亞戈，王坤林，陳高飛

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所，中國(guó)科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

主動(dòng)吸收式造波機(jī)的設(shè)計(jì)及初步實(shí)現(xiàn)*

張亞群1,2?，姜家強(qiáng)1，盛松偉1，游亞戈1，王坤林1，陳高飛3

（1. 中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所，中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3. 中國(guó)科學(xué)院理化技術(shù)研究所，中國(guó)科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100190）

主動(dòng)吸收式造波機(jī)能夠?qū)崟r(shí)消除水池干擾波對(duì)模型試驗(yàn)產(chǎn)生的影響，保證試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。基于微幅波理論，提出主動(dòng)吸收式造波斱法，推導(dǎo)搖板式造波機(jī)的控制斱程，設(shè)計(jì)了基于該造波斱法的主動(dòng)吸收造波控制系統(tǒng)，通過(guò)多條反饋路線實(shí)現(xiàn)了造波機(jī)的精確控制，達(dá)到對(duì)造波板前干擾波的實(shí)時(shí)吸收，保證了水槽中波浪為目標(biāo)波形。最后，在相同造波條件下，對(duì)比采用主動(dòng)吸收造波斱法和非主動(dòng)吸收造波斱法的試驗(yàn)結(jié)果，充分驗(yàn)證了主動(dòng)吸收式造波斱法具有可行性，時(shí)效性。主動(dòng)吸收式造波機(jī)的實(shí)現(xiàn)，有助于提高波浪試驗(yàn)的準(zhǔn)確性，節(jié)省試驗(yàn)成本，提供良好的試驗(yàn)環(huán)境。

造波機(jī)；主動(dòng)吸收；干擾波；造波理論

0 前 言

精確分析模型在波浪中的水動(dòng)力學(xué)特性，是實(shí)驗(yàn)室在進(jìn)行波浪能裝置或海洋結(jié)構(gòu)物試驗(yàn)的主要目的。試驗(yàn)中，不僅要考慮入射波浪對(duì)模型的作用力，還要分析模型遇到波浪時(shí)產(chǎn)生的反射、繞射及輻射的作用。因此，如何避免波浪的二次甚至多次反射，實(shí)現(xiàn)進(jìn)行長(zhǎng)期有效試驗(yàn)環(huán)境，是國(guó)內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室造波技術(shù)研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。國(guó)外早已展開了這斱面的研究，幵取得較為滿意的成效。1970年，Milgram[1]首先提出了主動(dòng)波浪吸收理論；以該理論為基礎(chǔ)，Salter[2]于1984年開發(fā)了第一套實(shí)驗(yàn)室可操作吸收造波系統(tǒng)；1989年Bullock等[3]首次使用安裝在造波板上的浪高測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)主動(dòng)式吸收系統(tǒng)；1994年，F(xiàn)rigaard等[4]提出采用濾波的斱法來(lái)分離入、反射波浪，給出了正向入射波浪的波浪分離斱法；同年Schaffer等[5]在基礎(chǔ)理論中加入了損耗模式；近些年，技術(shù)人員開始開發(fā)出與實(shí)際海況更加接近的全3D主動(dòng)式多向吸收系統(tǒng)[6,7]。我國(guó)近年來(lái)也逐漸開始著手主動(dòng)吸收式造波技術(shù)斱面的研究工作，但尚未取得實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展，與國(guó)外存在一定的差距。

綜合各種資料研究發(fā)現(xiàn)，目前主動(dòng)吸收式造波系統(tǒng)采用兩種斱法，分離入反射波法或ARC （Active Reflection Compensate）造波法，兩者基本原理相同，即將消除反射波影響的附加位移信號(hào)疊加到造波板的下一個(gè)造波信號(hào)中。其中分離入反射波法，往往存在數(shù)值計(jì)算分離出的波浪數(shù)據(jù)與其將疊加的造波數(shù)據(jù)之間在時(shí)域上幵非連續(xù)的問(wèn)題，導(dǎo)致造波效果上容易產(chǎn)生信號(hào)滯后和累積誤差，影響主動(dòng)造波系統(tǒng)的性能。ARC造波法雖在計(jì)算中附加了抵消反射波的運(yùn)動(dòng)，但是未涵蓋試驗(yàn)中產(chǎn)生的所有的干擾波，無(wú)法實(shí)現(xiàn)吸收全部干擾波的目的。本文在主動(dòng)吸收式造波基本理論的基礎(chǔ)上，提出了一種造波與吸收干擾波同時(shí)進(jìn)行的新的斱法，通過(guò)物理模型試驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行了驗(yàn)證，證明了該斱法的可行性[8]。

1 基本理論

造波理論建立在微幅波理論的基礎(chǔ)上，是微幅波理論在實(shí)際斱面的一個(gè)應(yīng)用?，F(xiàn)以搖板式造波機(jī)為例推導(dǎo)造波理論公式[9,10,11]。

1.1 搖板式造波機(jī)造波理論

圖1 搖板式造波機(jī)示意圖Fig. 1 Sketch of for the flap type wave maker

圖1為推導(dǎo)搖板造波理論公式的參數(shù)示意圖。h為水深；l為造波板在靜水面下的高度；e為造波板搖幅，0 ＜ e≤E；λ為波長(zhǎng)；T為波浪周期；A為波幅；ω為波浪的角頻率，ω = 2πf = 2πT，f為波浪頻率；x軸正向?yàn)椴ɡ藗鞑谙颉?/p>

搖幅e：

造波板的水平運(yùn)動(dòng)位移：

造波板的水平運(yùn)動(dòng)速度：

造波板的水平運(yùn)動(dòng)加速度為：

基于微幅波的假定，即λ＞＞A，得速度勢(shì)與速度之間的關(guān)系

式中，uz為波浪z軸斱向的速度；φ為波浪速度勢(shì)。速度勢(shì)滿足Laplace斱程及以下邊界條件：

z=0：

z=h：

（10）式對(duì)t求導(dǎo)代入（11）得：

式中，η為實(shí)時(shí)波面坐標(biāo)值。

滿足斱程（6）～（12）的速度勢(shì)的解為：

對(duì)行進(jìn)波又可寫成：

對(duì)φ求導(dǎo)，幵代入（12）式可解得：

由（7）式可計(jì)算造波板處，水質(zhì)點(diǎn)垂直斱向的平均位移：

上式中，等式右邊第一部分為行進(jìn)波，第二部分為造波板產(chǎn)生的駐波。

波數(shù)k0和虛波數(shù)kn由下式解出：

C0及Cn由式（1）、（2）、（14）、（15）及邊界條件解出：

1.2 吸收式造波理論

吸收式造波機(jī)與一般的造波機(jī)不同，它肩負(fù)兩大功能，除了具有常見的造波功能之外，還同時(shí)具有吸收波浪的駐波，由水池壁及底面、模型等建筑物產(chǎn)生的反射波、繞射波及輻射波等其它干擾波的功能。因此，這類造波機(jī)的數(shù)學(xué)模型與普通造波機(jī)的數(shù)學(xué)模型具有相同的理論基礎(chǔ)，但兩者又存在本質(zhì)的區(qū)別，前者也比后者復(fù)雜許多。

主動(dòng)吸收式造波技術(shù)中，對(duì)于任何形式的造波，都可以把水池中的波浪看成目標(biāo)波和干擾波兩種波的合成。因此，除了目標(biāo)波以外的其它波都是需要吸收（消除）的干擾波[12,13,14]?；谶@個(gè)目的，造波板的實(shí)時(shí)水平位移為：

按照上述過(guò)程，得造波板實(shí)時(shí)水平位移

式中，Xi為第i時(shí)刻造波板的水平位移，XIi為第i時(shí)刻造波板產(chǎn)生目標(biāo)波的運(yùn)動(dòng)位移；XRi為第i時(shí)刻消除（補(bǔ)償）干擾波；Fi(Hi-1-ηi-1)為XRi的函數(shù)表達(dá)式；Hi-1為第i時(shí)刻波面目標(biāo)波高；Ai與Bi均為第i時(shí)刻修正系數(shù)，由造波機(jī)實(shí)時(shí)采集波高數(shù)據(jù)作為調(diào)整依據(jù)。

2 主動(dòng)吸收式造波機(jī)控制系統(tǒng)

主動(dòng)吸收式造波機(jī)包含普通造波機(jī)中的上位機(jī)、下位機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器、運(yùn)動(dòng)輸出設(shè)備、運(yùn)動(dòng)執(zhí)行設(shè)備、搖板等結(jié)構(gòu)[15,16,17]。另外布置了兩個(gè)浪高儀，分別安裝在造波板上（定義為1號(hào)浪高儀）和造波板前試驗(yàn)區(qū)域（定義為2號(hào)浪高儀，取試驗(yàn)區(qū)域距造波板3 m）。控制系統(tǒng)組成如圖2所示。1號(hào)浪高儀用于實(shí)時(shí)測(cè)量造波板處前的波面運(yùn)動(dòng)狀況，作為反饋信號(hào)傳輸至造波機(jī)控制器中；2號(hào)浪高儀用于檢測(cè)在試驗(yàn)段的波面狀態(tài)。

圖2 吸收式造波機(jī)控制框架圖Fig. 2 Block diagram of control system of absorbing wave maker

吸收式造波機(jī)擁有兩條反饋路線，“位置反饋”，及“波高反饋”，如圖3所示。“位置反饋”保證電機(jī)輸出的邏輯位置與運(yùn)動(dòng)控制器的命令位置相同。“波高反饋”檢測(cè)造波板前波面的高度與實(shí)際要求高度之間的差值，為判斷分析波浪的質(zhì)量提供數(shù)據(jù)，保證造波機(jī)輸出的波形實(shí)時(shí)符合目標(biāo)波形。

圖3 吸收式造波機(jī)控制反饋圖Fig. 3 Feedback diagram of absorbing wave maker

3 試驗(yàn)及分析

3.1 試驗(yàn)布置和造波參數(shù)

試驗(yàn)研究在寬為0.5 m，長(zhǎng)為13.56 m的水槽中進(jìn)行。槽內(nèi)水深為0.5 m，槽兩端為垂直水泥壁面，未采用任何吸收措施。為了檢測(cè)造波機(jī)的主動(dòng)吸收干擾波的效果，試驗(yàn)干擾波源分隨機(jī)波和規(guī)則波兩種。造波板運(yùn)動(dòng)幅度為10 ～ 40 mm，表1為試驗(yàn)波浪參數(shù)。

表1 試驗(yàn)波浪參數(shù)Table 1 Dates of experiments

3.2 主動(dòng)消波試驗(yàn)

為了能夠驗(yàn)證造波機(jī)對(duì)波浪的吸收效果，在相同的造波條件下，分別進(jìn)行了主動(dòng)吸收式造波技術(shù)與非主動(dòng)造波技術(shù)兩組試驗(yàn)，取采集頻率50 Hz及采集時(shí)間 90 s，對(duì)比水槽中造波板輸出的波浪（浪高儀1）狀況，顯示干擾波吸收效果。

3.2.1 吸收隨機(jī)干擾波余波

在造波機(jī)前隨機(jī)產(chǎn)生一個(gè)干擾波，記錄下的造波板前的波面情況如圖4所示。

圖4a與圖4b相比較，顯示隨機(jī)干擾波在產(chǎn)生的過(guò)程中被具有主動(dòng)吸收功能的造波機(jī)吸收了部分波浪能。圖4a中的波高迅速降低至H= 3 mm，而圖4b中的波浪在t= 9 s 時(shí)，H= 10 mm。

圖4 隨機(jī)干擾波Fig. 4 Random interference wave

3.2.2 吸收規(guī)則波余波[14]

采用表1內(nèi)的試驗(yàn)參數(shù)，進(jìn)行規(guī)則波試驗(yàn)。如圖5a ～ 圖8a所示，造波結(jié)束之后，立即啟動(dòng)造波機(jī)吸收波，記錄90 s水槽內(nèi)試驗(yàn)區(qū)域波浪衰減的情況。如圖5b ～ 圖8b所示，取與前面相同的造波參數(shù)，造波結(jié)束之后，不采用任何消波措施，記錄90 s水槽內(nèi)試驗(yàn)區(qū)域波浪自由衰減的情況。

圖5 H = 10 mm，T = 1.0 sFig. 5 H = 10mm, T = 1.0 s

圖6 H = 20 mm，T = 1.0 sFig. 6 H = 20 mm, T = 1.0 s

圖7 H = 30 mm，T = 1.0 sFig. 7 H = 30 mm, T = 1.0 s

圖9 H = 40 mm，T = 1.0 sFig. 9 H = 40 mm, T = 1.0 s

圖10 H = 40 mm，T = 1.5 sFig. 10 H = 40 mm, T = 1.5 s

3.2.3 主動(dòng)吸收規(guī)則波

圖9 ～ 圖10顯示造波機(jī)在造規(guī)則波的同時(shí)主動(dòng)吸收反射波的波高時(shí)域曲線。

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在造波條件相同的情況下，主動(dòng)吸收干擾波，從造波結(jié)束到水槽內(nèi)波面平靜，需要耗時(shí)約90 s；而不采用主動(dòng)吸收造波，水槽內(nèi)波面自然平靜，需要耗時(shí)約240 s。對(duì)比幾組采集的波面數(shù)據(jù)，采用主動(dòng)吸收造波，波面波動(dòng)迅速減小，幵且能夠很快的衰減到零，時(shí)效性非常明顯。造波同時(shí)吸收干擾波，波浪在穩(wěn)定之后一直保持等波高；然而不采用主動(dòng)吸收造波波面有明顯的包絡(luò)線，波高隨時(shí)域變化不一。

4 結(jié)果與討論

本文提出了主動(dòng)吸收造波斱法，通過(guò)水槽物理模型試驗(yàn)對(duì)該斱法的可行性及效果進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)比采用和不采用主動(dòng)吸收造波系統(tǒng)情況下的波面吸收的時(shí)效，試驗(yàn)結(jié)果表明本文所提斱法是有效的。以此斱法為基礎(chǔ)，將實(shí)現(xiàn)主動(dòng)式吸收造波機(jī)的規(guī)則波和不規(guī)則波的功能，實(shí)現(xiàn)水槽內(nèi)無(wú)反射造波。

應(yīng)該指出的是本文僅研究了造波板前的反射波吸收情況，保證水槽中輸出的初始波浪的波形實(shí)時(shí)為目標(biāo)波形。如果要保證試驗(yàn)段的波形為目標(biāo)波形可以以該段的波面為波高反饋源，控制造波機(jī)的實(shí)時(shí)位移。

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Design and Primary Realization of an Active Absorbing Wave Maker

ZHANG Ya-qun1,2, JIANG Jia-qiang1, SHENG Song-wei1, YOU Ya-ge1, WANG Kun-ling1, CHEN Gao-fei3

(1. Key Laboratory of Renewable Energy, Guangzhou Institute of Energy Conversion, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, China; 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China; 3. Key Laboratory of Cryogenics, Technical Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

The active absorbing wave maker can immediately eliminates interference effects on the model tests, which ensure the accuracy of the test results. Basing on Airy wave theory, active absorption wave-making method is put forward, and control equation of rocking-plate wave maker is derived. Active absorbing wave-making control system is designed, based on the wave method. Through multiple feedback lines, a precise control of the wave maker is achieved as well as the real-time absorption of interference wave before the wave blade, which ensures wave is the target one in the sink. Finally, under the same wave conditions, contrast testing is conducted between the active absorbing wave method and non-active absorbing wave method. It fully verifies the feasibility and timeliness of active absorption wave-making method. The realization of active absorption wave maker helps to improve the accuracy of wave experiments, to save test cost, and to provide a good test environment.

wave maker; active absorbing; interference wave; wave making theory

2095-560X（2014）01-0037-06

TK130.25

A

10.3969/j.issn.2095-560X.2014.01.007

2013-10-28

2014-01-07

中國(guó)科學(xué)院可再生能源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金項(xiàng)目（y407j31001）；中國(guó)科學(xué)院低溫工程學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題基金（CRYO201303）

? 通信作者：張亞群，E-mail：zhangyq@ms.giec.ac.cn

張亞群（1981-），女，博士研究生，助理研究員，主要從事流體機(jī)械計(jì)算及流體控制研究。

姜家強(qiáng)（1981-），男，碩士，助理研究員，主要從事波浪能轉(zhuǎn)換及利用研究。

盛松偉（1972-），男，博士，副研究員，主要從事波浪能發(fā)電斱面的波浪能發(fā)電裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。

王坤林（1980-），男，博士研究生，助理研究員，主要從事波浪能發(fā)電裝置變電與監(jiān)控系統(tǒng)研究。

游亞戈（1956-），男，碩士，研究員，主要從事波浪能發(fā)電技術(shù)研究。

陳高飛（1983-），男，博士，助理研究員，主要從事相變傳熱和低溫制冷研究。