吳宗鐸 嚴(yán)謹(jǐn) 吳光林 溫錦文

[摘 要]波流水槽可以在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中得到很好的應(yīng)用。在很多專業(yè)，波流水槽起到了十分關(guān)鍵的作用，尤其是船舶與海洋工程、港口航道與近岸工程兩個(gè)專業(yè)。通過造波和造流系統(tǒng)，多門課程可以安排實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，例如，海岸動(dòng)力學(xué)、工程水文學(xué)、水工建筑物、船舶原理等。在實(shí)驗(yàn)過程中，可以觀察到清晰的現(xiàn)象，并得到十分有意義的數(shù)據(jù)。

[關(guān)鍵詞]波流水槽;教學(xué)實(shí)驗(yàn);造波;流速

[基金項(xiàng)目]2018年1月—2020年12月國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“Mie-Gruneisen多介質(zhì)混合物模型的研究及其在水下爆炸中的應(yīng)用”（11702066）

[作者簡(jiǎn)介]吳宗鐸（1984—），男，江西南昌人，博士，廣東海洋大學(xué)海洋工程學(xué)院講師，主要從事水動(dòng)力計(jì)算研究。

[中圖分類號(hào)] TV139.2+5[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）32-0383-03[收稿日期] 2020-01-31

一、概述

船舶與海洋工程是與海洋資源開發(fā)利用、海上運(yùn)輸船舶、捍衛(wèi)海防密切相關(guān)的學(xué)科。21世紀(jì)是海洋大開發(fā)的時(shí)代，國(guó)家已進(jìn)一步要求加快海洋科技創(chuàng)新步伐，強(qiáng)化船舶及海洋裝備科技創(chuàng)新動(dòng)力，提升海洋資源開發(fā)利用水平。

要了解海洋，首先需要了解波浪。作為海洋中最為常見的一種現(xiàn)象，研究波浪，不管是對(duì)航海運(yùn)輸、港口建設(shè)、還是對(duì)海洋結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)，都有著極大的幫助。物理水池試驗(yàn)與數(shù)值波浪水池計(jì)算的結(jié)合，已成為當(dāng)前船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物研究過程中主流的技術(shù)方法[1]（P1-15）。目前，國(guó)外技術(shù)比較先進(jìn)的大型水池主要有：挪威MARINTEK海洋深水試驗(yàn)池;尼德蘭MARIN的海洋工程水池;日本國(guó)家海事研究所的深水海洋工程水池等。國(guó)內(nèi)的大型造波水池主要有：中國(guó)船舶科學(xué)研究中心適航性與海洋工程水池;上海交通大學(xué)海洋深水試驗(yàn)池等。

然而大型的水池，不僅造價(jià)昂貴而且占地面積大，如尼德蘭MARIN的海洋工程水池，長(zhǎng)45m，寬36m，水深10.2m，建造和維護(hù)成本相當(dāng)高。相比大型的水池，數(shù)值實(shí)驗(yàn)水槽建造成本低，占地面積小，且能滿足基礎(chǔ)的教學(xué)和科研用途，對(duì)科研經(jīng)費(fèi)或?qū)嶒?yàn)場(chǎng)地有限的院校非常適合。建造一個(gè)數(shù)值實(shí)驗(yàn)水槽的成本僅需幾十萬(wàn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于大型的實(shí)驗(yàn)水池。

二、波流水槽簡(jiǎn)介

試驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室中包括如下裝置：

1.槽配電控制柜：用于控制造波機(jī)電機(jī)電源分配，并監(jiān)測(cè)電源情況。

2.波機(jī)控制柜：控制造波機(jī)啟動(dòng)和緊急制動(dòng)。

3.移步平臺(tái)：位于玻璃水槽一側(cè)的平臺(tái)，方便觀察水槽內(nèi)情況。

4.玻璃水槽：由厚鋼化玻璃構(gòu)成，四周為鋼質(zhì)骨架。

5.造波機(jī)：作為波流水槽系統(tǒng)的最重要組成部分，鋼質(zhì)機(jī)械構(gòu)件，負(fù)責(zé)推動(dòng)水槽內(nèi)水體運(yùn)動(dòng)，從而造波。

6.流量控制柜：控制并顯示當(dāng)前玻璃水槽內(nèi)水體深度、流速等情況。

7.造波機(jī)控制臺(tái)：作為波流水槽系統(tǒng)的大腦，通過計(jì)算機(jī)內(nèi)安裝的造波系統(tǒng)控制造波機(jī)。

其中水槽為整套實(shí)驗(yàn)裝置的主體結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)所用的水槽為玻璃結(jié)構(gòu)（見圖1），長(zhǎng)度大約30—50米。一端裝有造波板設(shè)備，板的高和寬與水槽貼合。另一端則裝置了進(jìn)水管。

在水槽兩側(cè)安裝有由多孔介質(zhì)構(gòu)成的消能設(shè)備，用于消除反射波，盡可能地減少反射波對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響。當(dāng)波浪波高越高、波長(zhǎng)越長(zhǎng)，產(chǎn)生的反射波對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的影響就會(huì)越嚴(yán)重。由多孔介質(zhì)構(gòu)成的消能設(shè)備能夠有效地消除反射波。

國(guó)內(nèi)外主流的造波機(jī)，以推板式和搖板式居多[2]。圖2給出了兩種造波板的具體形式。搖板式造波機(jī)通過造波板被約束在軸的下端，繞軸一定角度做循環(huán)運(yùn)動(dòng)，對(duì)水體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生影響。波長(zhǎng)取決于繞軸運(yùn)動(dòng)的頻率，波高取決于繞軸運(yùn)動(dòng)的搖幅。推板式造波機(jī)則通過造波板沿直線導(dǎo)軌進(jìn)行周期性往返運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)水體，對(duì)水體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生影響。造波板的推程及速度決定波高，造波板的運(yùn)動(dòng)頻率決定波浪的周期。

水槽內(nèi)的造流則由泵房?jī)?nèi)的循環(huán)水泵來(lái)控制。水槽前后兩端，通過管道聯(lián)入泵房?jī)?nèi)的電機(jī)組。通過設(shè)置泵房?jī)?nèi)的電機(jī)轉(zhuǎn)速，來(lái)調(diào)節(jié)流速。在直流調(diào)速系統(tǒng)的作用下，如果想增加流速，可以通過流量控制柜使直流電機(jī)轉(zhuǎn)速增加。當(dāng)流速升到與流速給定值相等時(shí)，流速調(diào)節(jié)器輸出穩(wěn)定在某一數(shù)值上，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速也穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速上，因而流速也穩(wěn)定在對(duì)應(yīng)的數(shù)值上。一般來(lái)說(shuō)，流速大小和電機(jī)的轉(zhuǎn)速成正比。

三、實(shí)驗(yàn)教學(xué)

在船舶與海洋工程、港口航道與海岸工程這兩門主要海洋學(xué)科與近海學(xué)科的專業(yè)中，有很多學(xué)科將波浪和急流作為學(xué)習(xí)對(duì)象，此時(shí)波流水槽可為這些課程提供實(shí)驗(yàn)教學(xué)的條件，如海岸動(dòng)力學(xué)、工程水文學(xué)、水工建筑物、船舶原理等，同時(shí)為相關(guān)課程承擔(dān)一定的科研服務(wù)。

（一）海岸動(dòng)力學(xué)

海岸動(dòng)力學(xué)是研究海岸水動(dòng)力和海岸泥沙運(yùn)動(dòng)的課程[3]（前言）。其中，海岸水動(dòng)力學(xué)主要涉及有限水深波浪的運(yùn)動(dòng)，可利用波流水槽來(lái)認(rèn)識(shí)有限水深波的運(yùn)動(dòng)。利用造波系統(tǒng)，可以很方便地完成多種波浪的造波，如正弦波、斯托克斯波、淺水非線性波等。由于海岸動(dòng)力學(xué)中較少涉及深水波浪，在水深有限的情況下可利用深度約一米的波流水槽完成常見波浪的造波。造波過程比較簡(jiǎn)單，造波機(jī)歸零后設(shè)置好目標(biāo)的波浪參數(shù)，無(wú)論是利用推板式還是搖板式，大約經(jīng)歷兩三個(gè)波長(zhǎng)后波形即可穩(wěn)定。此時(shí)，可利用波高儀記錄下波浪的波高、周期等數(shù)據(jù)。同時(shí)，玻璃水槽側(cè)面的移步平臺(tái)的長(zhǎng)度較長(zhǎng)，提供了足夠的空間讓實(shí)驗(yàn)者觀察造波的過程。

另外，海岸泥沙運(yùn)動(dòng)中，水流的流速也是一個(gè)很關(guān)鍵的內(nèi)容。利用波流數(shù)值水槽，可以完成恒定流和非恒定流的造流實(shí)驗(yàn)。相比造波而言，造流涉及參數(shù)較少，實(shí)驗(yàn)也相對(duì)更簡(jiǎn)單。

（二）工程水文學(xué)

工程水文學(xué)是水文學(xué)的一個(gè)分支，是為工程規(guī)劃設(shè)計(jì)、施工建設(shè)及運(yùn)行管理提供水文依據(jù)的一門學(xué)科[4]（前言），主要分為水文分析計(jì)算和水文預(yù)報(bào)兩方面。書中比較注重水的流動(dòng)特性，且要求學(xué)生掌握河流流量與斷面流速的測(cè)定方法。

實(shí)驗(yàn)中，流速儀的安置和使用是主要內(nèi)容。由于波流水槽橫截面尺寸整體較小，流速儀可以通過水槽頂部的支架比較方便的安置在水下的不同深度。同時(shí)，流量控制柜可以對(duì)不同深度的水流設(shè)置不同的流速，提供很好的實(shí)驗(yàn)條件。但是，如果想要設(shè)置某一特定的流速，流速的具體數(shù)值卻無(wú)法在流量控制系統(tǒng)中直接設(shè)置，這樣，需要靠調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速來(lái)進(jìn)行反饋控制。

（三）水工建筑物

水工建筑物的主要學(xué)習(xí)對(duì)象是擋水、泄水、輸水、引水、整治等各類服務(wù)于水利工程的建筑物[5]（前言）。其中，泄水建筑物是一個(gè)重要的教學(xué)環(huán)節(jié)。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中，可利用波流水槽進(jìn)行泄水建筑物的消能實(shí)驗(yàn)。泄水建筑物主要指為宣泄超標(biāo)的洪水或澇水的水工建筑，如堰、閘、橋、涵、陡坎等。而消能則是把建筑物宣泄出來(lái)的急速的水流轉(zhuǎn)變?yōu)榫徚鞯囊环N處理手段。常用的消能方式有3種：底流消能、挑流消能、面流消能。消能方式見圖3。

在實(shí)驗(yàn)中，從水工建筑物泄水的流速，可以通過流量控制柜進(jìn)行調(diào)節(jié)，保證實(shí)驗(yàn)期間流速穩(wěn)定。另外，需要在消能裝置前后，布置好流速計(jì)測(cè)量流速。

對(duì)于不同的消能方式，需要在水槽內(nèi)安放不同的消能裝置。由于消能裝置前后方的流速計(jì)分別用來(lái)測(cè)消能前后的急流和緩流，可適當(dāng)選擇流速計(jì)的測(cè)量范圍。根據(jù)前后的流速，可以判斷消能效果。而消能的實(shí)驗(yàn)過程，站在玻璃水槽兩側(cè)，可以很清楚地進(jìn)行觀察。

如果還需要測(cè)量泄水建筑物的壓力，則需要在實(shí)驗(yàn)水槽中安置建筑物的模型，此時(shí)，實(shí)驗(yàn)裝置的布置會(huì)顯得相對(duì)比較復(fù)雜。

（四）船舶原理

船舶原理是船舶與海洋工程專業(yè)的一門主修課程，涵蓋了船舶靜止和航行時(shí)的各項(xiàng)動(dòng)力學(xué)性能，包括浮性、穩(wěn)性、抗沉性、快速性、操縱性、耐波性等內(nèi)容。[6]（前言）其中，耐波性是以波浪為研究對(duì)象的非常抽象的內(nèi)容，可適當(dāng)安排教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

在耐波性的教學(xué)環(huán)節(jié)中，不規(guī)則波的理論體系基于長(zhǎng)期的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，學(xué)習(xí)起來(lái)比較吃力。此處，可適當(dāng)安排教學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)幫助加深認(rèn)識(shí)。在波流水槽中，由于造波系統(tǒng)提供了Jonswap譜、B-M譜等常見的波浪譜，可以利用湊譜造出不規(guī)則波。圖4的系統(tǒng)界面列出了多種不同波流譜，可供實(shí)驗(yàn)人員選擇。造波的步驟與規(guī)則波相同。但是，規(guī)則波有統(tǒng)一的波浪參數(shù)，但不規(guī)則波由多個(gè)不同波高和周期的規(guī)則疊加而成，在水槽實(shí)驗(yàn)中無(wú)法測(cè)量到統(tǒng)一的波高和周期，僅能得到無(wú)規(guī)律性的水位變化曲線。但是波流水槽依然提供了一個(gè)很好的條件，供實(shí)驗(yàn)者觀察多種的不規(guī)則波。

另外，船舶原理中關(guān)于快速性的部分，船模阻力實(shí)驗(yàn)與螺旋槳敞水實(shí)驗(yàn)都出現(xiàn)在教學(xué)環(huán)節(jié)中，這兩個(gè)實(shí)驗(yàn)通常在實(shí)驗(yàn)水池中進(jìn)行。但是在波流水槽中，實(shí)現(xiàn)難度較大，都需要配備和水槽相適應(yīng)的船模、槳模、固定裝置、螺旋槳主機(jī)等，且阻力和轉(zhuǎn)矩等主要參數(shù)測(cè)量困難。

四、總結(jié)

綜上所述，波流水槽可以很便利地造出船舶與海洋工程、港口航道與海岸工程等專業(yè)中常見波浪和水流，在觀察波浪及水流的運(yùn)動(dòng)形態(tài)變化方面起到了顯著的作用，并提供了良好的條件來(lái)幫助學(xué)生了解和掌握其中的動(dòng)力學(xué)特征，從而很好地服務(wù)于本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)。

相比波浪水池，實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單的波流水槽能完成常規(guī)的數(shù)字造波，并通過電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制流速，從而完成水動(dòng)力學(xué)相關(guān)專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)的很多本科教學(xué)實(shí)驗(yàn)。然而，對(duì)于部分復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)，波流水槽的效果依然十分有限，無(wú)法替代波浪水池。

參考文獻(xiàn)

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[3]鄒志利.海岸動(dòng)力學(xué)[M].北京：人民交通出版社，2009：前言.

[4]邱大洪.工程水文學(xué)[M].北京：人民交通出版社，2011：前言.

[5]楊邦柱.水工建筑物[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2009：前言.

[6]盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理（下冊(cè)）[M].上海：上海交通大學(xué)出版社，2014：前言.