本發(fā)明屬于海洋工程及水動力實驗研究技術領域，涉及一種實驗水槽中指定位置處產生極端波浪的方法

背景技術：

極端波浪是海面上突然出現的單個異常大波浪，它給人類的生活和生產活動帶來了嚴重的危害。為了避免極端波浪對海上結構物的危害，我們可以在實驗水槽中對極端波浪進行模擬，為海洋工程結構物的設計提供依據。水槽中模擬極端大浪對結構物的作用時，結構模型往往體積龐大，造價昂貴，不方便移動。所以，現在需要一種能夠精準控制波浪聚焦位置的方法，在指定位置生成所需的不同形狀的極端波浪，從而準確的模擬出極端大浪、崩破波浪、卷破破浪在不同作用位置下對結構物的影響。

在現有的相位聚焦生成極端波浪的方法中，由于波與波的非線性相互作用，波浪在傳播過程中，色散關系發(fā)生了改變，各組成波的傳播速度不再符合線性波浪理論。所以，在指定位置處，各組成波的相位和理論相位產生了偏差，波浪的聚焦位置和聚焦時間都發(fā)生了改變。此外，在現有的生成極端波浪的方法中，無法判斷聚焦點上下游的波面狀況，還有可能在傳播過程中出現了提前破碎和二次破碎的情況，導致極端波浪生成的位置和預設位置有很大偏差，需要反復移動模型結構，造成了成本的浪費。

技術實現要素：

為了解決現有技術存在的上述問題，本發(fā)明提供一種能夠同時監(jiān)測波浪聚焦過程的相位和波陡，反饋調節(jié)造波信號，在實驗水槽指定位置處產生極端波浪的方法。技術方案如下：

一種在實驗水槽指定位置處產生極端波浪的方法，步驟如下：

s1、根據實驗室的水槽參數確定波浪參數；

s2、生成造波信號；

s3、將造波信號輸入造波系統(tǒng)進行初始造波；

s4、判斷波浪是否破碎；

s5、波浪如果破碎，改變組成波的波幅和譜寬，重新進入s1；波浪如果沒有破碎，進入s6；

s6、利用全相位傅里葉變換計算聚焦位置處的相位偏差；

s7、利用相位差修正造波信號；

s8、利用造波系統(tǒng)生成波浪；

s9、判斷聚焦位置處的相位調整是否收斂，如果不收斂，重新進入s6；如果收斂，進入s10；

s10、生成指定位置處的極端波浪。

進一步的，s2中生成造波信號的具體步驟為：

在自由水面上，將任意點處的波浪的波面eta(x,t)表示為不同頻率的規(guī)則波疊加的結果：

式中，aj代表第j個組成波的波幅，kj代表第j個組成波的波數，ωj代表第j個組成波的頻率，代表第j個組成波的初始相位；其中kj和ωj滿足色散關系g表示當地的重力加速度，d表示水深；

在線性色散關系下，調整每個組成波的相位使每個組成波在聚焦位置和聚焦時刻滿足此時聚焦點xp位置處，各組成波在聚焦時間tp時達到最大波幅，產生相位聚焦；

通過水槽參數確定聚焦位置和聚焦時間，聚焦位置xp需要滿足其中l(wèi)w為水槽長度；聚焦時間需要滿足其中fmax、kmax分別表示頻率最高的組成波及其對應的波數，fmin、kmin分別表示頻率最低的組成波及其對應的波數；

在給定的無量綱化頻譜sa(fj)和最大波陡s下，各組成波的波幅按下式計算：

在推板造波機下，造波板的傳遞函數如下：

式中，tj表示組成波的振幅和其對應的造波板振幅之比，kj表示各組成波的波數，h表示水深；

將各組成波的振幅通過傳遞函數tj的變換，得出造波板各頻率的振幅，將造波板在各頻率上的運動做疊加，得到造波機的初始造波信號：

進一步的，s3中所述造波系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和采集系統(tǒng)三部分組成，所述控制系統(tǒng)讀取造波信號，將造波數字信號轉化為驅動伺服電機的電信號；所述動力系統(tǒng)用于驅動伺服電機，帶動造波板運動，在水槽中產生擾動，造出波浪；所述采集系統(tǒng)用于對波浪數據進行采集、濾波和放大。

進一步的，s4中判斷波浪是否破碎的具體步驟為：

在聚焦點前等距離放置兩個間隔為δx的浪高儀，kmax為頻率最大的組成波對應的線性色散關系下的波數；利用s2中生成的造波信號進行造波，通過浪高儀記錄兩位置處波面信號η(x1,t)和η(x2,t)，根據兩位置處的波面信息計算實際的波陡；

x1位置處波面的相位角

x2位置處波面的相位角

組成波的在聚焦位置附近的實際波數δx為兩個浪高儀之間的距離，δx＝x1-x2；δφj為各組成波在兩位置處的相位差，δφj＝φ1j-φ2j；任意位置x0處任意時刻的波陡可以表示為：

任意位置x0處聚焦波傳播過程中能達到的最大波陡：s0表示波浪發(fā)生破碎時的臨界波陡；如果聚焦過程中任意位置x0處的最大波陡則波浪在聚焦前發(fā)生了破碎。

進一步的，s5中波浪如果破碎，降低各組成波的波幅aj或者增加譜寬δf。

進一步的，其特征在于，s6中計算聚焦位置處的相位偏差具體步驟為：

采集初始造波時指定聚焦點的波面信號ηpold(t)，對波面信號進行全相位信號預處理，將波面信號進行數據分割、循環(huán)移位、加權疊加；處理后利用傅里葉變換的方法將波面時域的信號轉化為頻域上的分布，得出各頻率所對應的實際相位角φrecord；

初始波浪和目標波浪的相位角差值，按下式計算：

δφ＝φrecord-φtarget

其中δφ是相位角差值，φtarget是目標波浪的相位角，φrecord是生成波浪的相位角。

進一步的，s7中利用相位差修正造波信號的具體步驟為:

利用相位角差值，計算新的控制信號的相位，φnew＝φold+δφ；φold是原始控制信號的相位，φnew是新的造波控制信號的相位；

修正后的造波控制信號：

進一步的，s9具體步驟為：

利用s7修正后的造波信號，在水槽中進行造波，記錄生成的波面信號為ηpnew(t)；

計算調整前的波面ηpold(t)和理論波面ηp(t)的相關系數correlold：

計算調整后的波面ηpnew(t)和理論波面ηp(t)的相關系數correlnew：

如果滿足correlnew＞correlold，則表示聚焦位置的相位還未調整收斂；

如果滿足correlnew≤correlold，則表示聚焦位置的相位已經調整收斂。

本發(fā)明的有益效果是：

1、本發(fā)明提出了一種在實驗水槽中指定位置處產生極端波浪的方法，采用全相位分析方法得到聚焦位置處各組成波相位，對造波信號進行迭代調整，從而使各組成波在指定位置處達到精準的相位聚焦；根據物理實驗驗證發(fā)現在三次相位的迭代調整后，實際的相位偏差控制在0.15rad內，實驗波面和理論波面的相關系數達到了0.95以上；本方法較好的解決了非線性色散關系帶來的聚焦位置和聚焦時間偏差問題，精準的在指定位置生成了所需的聚焦波浪。

2、本方法通過預測聚焦過程中波面的最大波陡，判斷聚焦過程中波浪的破碎情況，優(yōu)化調整組成波譜寬和幅值，避免波浪發(fā)生提前破碎和二次破碎的狀況，從而準確生成所需的極端波浪形態(tài)。運用本方法可以靈活控制水槽中極端波浪與結構模型的作用位置，精準地在水槽指定位置產生不同形態(tài)的極端波浪，從而減少了移動實驗模型帶來的成本，提高了實驗效率和精度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明整體流程示意框圖；

圖2是實驗裝置的布置圖；

圖3是各組成波波幅分布圖；

圖4是各組成波的造波板傳遞系數圖；

圖5是相位調整前波面實驗值與理論值對比圖；

圖6是相位調整前實驗值與理論值的相位差分布圖；

圖7是相位調整后波面實驗值與理論值對比圖；

圖8是相位調整后實驗值與理論值的相位差分布圖；

圖2中：1、推板式造波機；2、電容式浪高儀；3、試驗水槽；4、消浪裝置；5、浪高儀信號采集器；6、安裝有造波系統(tǒng)和采集系統(tǒng)的計算機。

具體實施方式

實施例1：

一種在實驗水槽指定位置處產生極端波浪的方法，包括以下步驟：

a、生成初始的造波信號并初始造波

根據實驗室的水槽參數確定波浪參數，將相位聚焦的波浪，利用線性的色散關系，反向推算出造波機的運動過程，從而使組成波在指定位置達到相同的相位，疊加產生極端大浪。在自由水面上，將任意點處的波浪的波面eta(x,t)表示為不同頻率的規(guī)則波疊加的結果：

式中，aj代表第j個組成波的波幅，kj代表第j個組成波的波數，ωj代表第j個組成波的頻率，代表第j個組成波的初始相位。其中kj和ωj滿足色散關系g表示當地的重力加速度，d表示水深。

在線性色散關系下，調整每個組成波的相位使每個組成波在聚焦位置和聚焦時刻滿足此時聚焦點xp位置處，各組成波在聚焦時間tp時達到最大波幅，產生相位聚焦。

聚焦時間和聚焦位置通過水槽參數來確定。為了達到較好的聚焦效果，聚焦位置xp需要滿足其中l(wèi)w為水槽長度。為了減少水槽反射的影響，聚焦時間需要滿足其中fmax、kmax分別表示頻率最高的組成波及其對應的波數，fmin、kmin分別表示頻率最低的組成波及其對應的波數。

在給定的無量綱化頻譜sa(fj)和最大波陡s下，各組成波的波幅按下式計算：

在推板造波機下，造波板的傳遞函數如下：

式中，tj表示組成波的振幅和其對應的造波板振幅之比，kj表示各組成波的波數，h表示水深。

將各組成波的振幅通過傳遞函數tj的變換，得出造波板各頻率的振幅，將造波板在各頻率上的運動做疊加，得到造波機的初始造波信號：

將造波信號輸入造波系統(tǒng)進行初始造波。實驗室的造波系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、動力系統(tǒng)和采集系統(tǒng)三部分組成?？刂葡到y(tǒng)可以讀取造波信號，將造波數字信號轉化為驅動伺服電機的電信號；動力系統(tǒng)用于驅動伺服電機，帶動造波板運動，在水槽中產生擾動，造出波浪；采集系統(tǒng)用于對波浪數據進行采集以及濾波、放大等工作。

通過以上步驟可以生成初始的造波信號并初始造波。

b、波浪破碎的判斷和控制

為了防止在聚焦過程中局部波浪的波陡超過臨界破碎條件而發(fā)生破碎，從而影響波浪在指定位置的聚焦效果，需要對聚焦位置的波面進行監(jiān)測，控制聚焦過程中波面的局部最大波陡。為此，在聚焦點前等距離放置兩個間隔為δx的浪高儀，kmax為頻率最大的組成波對應的線性色散關系下的波數。利用步驟a生成的造波信號進行造波，通過浪高儀記錄兩位置處波面信號η(x1,t)和η(x2,t)，根據兩位置處的波面信息計算實際的波陡。

x1位置處波面的相位角

x2位置處波面的相位角

組成波的在聚焦位置附近的實際波數δx為兩個浪高儀之間的距離，δx＝x1-x2；δφj為各組成波在兩位置處的相位差，δφj＝φ1j-φ2j；

任意位置x0處任意時刻的波陡可以表示為：

任意位置x0處聚焦波傳播過程中能達到的最大波陡

s0表示波浪發(fā)生破碎時的臨界波陡。如果聚焦過程中任意位置x0處的最大波陡波浪在聚焦前可能發(fā)生破碎，此時需要優(yōu)化初始波浪參數，比如增加譜寬δf(δf＝fmax-fmin)或者降低各組成波的波幅aj，從而避免在聚焦過程中波面發(fā)生破碎。

c、利用相位迭代修正技術，使波浪在指定位置精準聚焦

由于非線性的作用，聚焦位置處各組成波的相位和理論值產生了偏差。需要測量聚焦位置的相位偏差，調整造波機的造波信號，并對生成的波面信息進行調整結果的判斷，迭代調整使波浪在指定位置精準聚焦；

c1、利用全相位傅里葉變換，分析聚焦位置的相位偏差，并調整造波信號

采集初始造波時指定聚焦點的波面信號ηpold(t)。對波面信號進行全相位信號預處理，將波面信號進行數據分割、循環(huán)移位、加權疊加。處理后利用傅里葉變換的方法將波面時域的信號轉化為頻域上的分布，得出各頻率所對應的實際相位角φrecord。

初始波浪和目標波浪的相位角差值，按下式計算：

δφ＝φrecord-φtarget

其中δφ是相位角差值，φtarget是目標波浪的相位角，φrecord是生成波浪的相位角。

利用相位角差值，計算新的控制信號的相位，φnew＝φold+δφ。φold是原始控制信號的相位，φnew是新的造波控制信號的相位。

修正后的造波控制信號：

利用修正后的造波信號，在水槽中進行造波，記錄生成的波面信號為ηpnew(t)。

c2、相位調整的結果判斷：

計算調整前的波面ηpold(t)和理論波面ηp(t)的相關系數correlold：

計算調整后的波面ηpnew(t)和理論波面ηp(t)的相關系數correlnew：

波面的相關系數代表著波面的實驗值和理論值的吻合程度。如果滿足correlnew＞correlold，則表示聚焦位置的相位還未調整收斂，重復步驟c1，進行相位調整；如果滿足correlnew≤correlold，則表示聚焦位置的相位已經調整收斂，無需進行進一步的調整。此時可以實現指定位置處產生所需的極端波浪。

實施例2：

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施范例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施范例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

建立如圖2所示的造波控制系統(tǒng)包括有：實驗水槽、推板式造波機、消浪裝置、浪高儀、浪高儀信號采集器、安裝有造波系統(tǒng)和采集系統(tǒng)的計算機。其中，浪高儀和浪高儀采集器相連接；浪高儀信號采集器和計算機相連接；造波機和計算機相連接。

范例實驗在大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室的piv水槽中進行。實驗水槽長20m、寬0.45m、實驗水深0.45m，造波方式為推板式造波，水槽中的末端布置有消浪裝置，在實驗水槽的3.5m、6.7m、6.8m、6.9m、7.0m、7.1m、7.2m、7.3m處布置有8個電容式浪高儀。實驗組成波的頻率范圍f＝0.7hz1.3hz，組成波的數量n＝64，采用等分頻率法劃分頻率。聚焦位置xp＝7m，滿足聚焦時間tp＝15s，滿足

實驗選取的波陡s＝0.24，各組成波的波幅按照jonswap譜得出(見圖3)，根據水深和頻率計算得出各組成波所對應的造波板傳遞函數cj(見圖4)。利用上述參數得出造波板的初始造波信號x(t)，造波時間設為30s，將造波信號傳入造波機的控制系統(tǒng)，控制造波板運動，在水槽中生成波浪。利用電容式浪高儀，測量初始的波面信息η(x,t)，采樣頻率50hz，采樣時間為40s。

根據采集的波面信號，分析組成波的波幅和波數，計算得出聚焦位置上下游的最大波陡smax＝0.19，滿足smax＜0.8s0，波浪在聚焦位置的上下游不會發(fā)生提前破碎和二次破碎的現象，可以進行下一步的相位迭代調整。

波浪在傳播過程中，由于非線性的作用，聚焦時間和聚焦點產生了偏差，相位調整前聚焦位置處的波面時間歷程線的實驗值和理論值如圖5所示；聚焦位置處的相位與線性值產生了偏差，聚焦位置處各組成波相位的實驗值與理論值差值如圖6所示；可以看出相位調整之前，波面實驗值和理論值有較大的偏差，兩者的相關系數為0.594，各組成波的相位值和理論值偏差較大，最大的相位角偏差為33.9°。

利用本方法分析出的聚焦位置處的波面相位差，進行造波信號的調整，并分析每次調整后，聚焦位置的相位和聚焦波面實驗值與理論值的相關系數。經過三次迭代調整后，組成波的相位已經調整收斂，波面實驗值和理論值的相關系數達到0.95以上，每次調整后組成波的實驗室和理論值的相關系數見下表：

表1波面實驗值和理論值得相關系數表

調整后聚焦位置的波面如圖7所示，實驗值和理論值的相位差如圖8所示。可以看出調整后的波面和二階理論波面吻合的比較好，波面的時間序列關于聚焦時刻前后對稱，實驗波面和理論波面的相關系數由0.594提升到了0.987；經過本方法調整后，聚焦位置的相位和理論值得最大偏差，由33.9°降低為3.7°，偏差降低了89.1％；本方法較好的解決了非線性色散關系帶來的聚焦位置和聚焦時間偏差問題，精準的在指定位置生成了所需的聚焦波浪，從而減少了移動實驗模型帶來的成本，提高了實驗效率和精度。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發(fā)明披露的技術范圍內，根據本發(fā)明的技術方案及其發(fā)明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。