水池摇板式造波机传递函数研究
L型造波机造波信号生成方法、装置和L型造波机
（19）中华人民共和国国家知识产权局（12）发明专利申请（10）申请公布号CN109695221A（43）申请公布日 2019.04.30（21）申请号CN201710990304.0（22）申请日2017.10.20（71）申请人交通运输部天津水运工程科学研究所地址300450 天津市塘沽区新港二号路37号（72）发明人阳志文;张华庆;解鸣晓;李鑫;肖辉;王海申;吴明阳（74）专利代理机构北京超凡志成知识产权代理事务所(普通合伙)代理人唐维虎（51）Int.CI权利要求说明书说明书幅图（54）发明名称L型造波机造波信号生成方法、装置和L型造波机（57）摘要本发明提供了一种L型造波机造波信号生成方法、装置和L型造波机，属于实验室波浪的物理模拟技术领域。
本发明提供的L型造波机造波信号生成方法、装置和L型造波机，利用全域内的目标波浪信息，直接求解运动连轴运动离散方程，得到计算造波信号。
不同于传统的线性解析解方法，该方法是一种时域内数值微分方法，完全考虑波浪的非线性，无须在频域内求解复杂的水动力传递函数，有效提高了模拟精度和效率，减少了造波板运动过程中的不协调现象，大幅简化了程序，增加了波浪物理模拟的稳定性和实效性。
在造波机结构上，将两边相接处设置成圆弧过渡段，从而保证了波浪空间分布的连续性和均匀性，有效避免了无效波浪区的形成。
法律状态法律状态公告日法律状态信息法律状态2019-04-30公开公开2019-04-30公开公开2019-05-28实质审查的生效实质审查的生效权利要求说明书L型造波机造波信号生成方法、装置和L型造波机的权利要求说明书内容是....请下载后查看说明书L型造波机造波信号生成方法、装置和L型造波机的说明书内容是....请下载后查看。
基于压差法的波向测量方法初步研究
上的波浪在 360
°上均有浪向分布。在某一时刻,不同
得圆周上不同点的压差数据,采用最小二乘法对采集
方向上的波浪能量分布不同,其主波向上的波浪能量
的圆周上多点压差值进行数据拟合,可得出压差值的
分布最大,波浪能量同波高和波周期有关,通过将多个
变化曲线是一条拟合的正弦曲线,找出变化曲线的峰
压力传感器在水下布设呈一定几何形状,可测量海浪
方向上的压力传感器同圆心点上的压力传感器之间的差值进行分析,找出变化规律与波向的关系,以此得出真实的波向分
布。本文通过波浪水池实验验证了该方法的可行性,并通过对实验数据的解析初步得出了压差变化规律与波向的变换关
系。
关键词: 波向测量;压力传感器;压差测量;水下安装;几何分布;圆周压差法
中图法分类号: P756.
33
.75 m 的铰接推板式不规则波造波机,最大工作水深
1
.2 m,波高变化范围0
.05~0
.25 m,波周期变化范围
0
.5~2
.5s,在合适周期范围内斜向规则波最大波向角
45
°(最大有效波高 0
.16 m),可模拟规则波、椭圆余弦
波、叠加破碎波、孤立波、国内外常用的频谱(
J谱、
PM
谱、
B 谱、
MPM 谱、中国港工规范谱等)以及自定义频
波浪传播方向是指波浪的来向[5],仪器观测一般
图3 水池中的实验装置
F
i
3 Exp
e
r
ime
n
t
a
ld
e
v
i
c
ei
npo
o
l
g.
规定从北向南(参考地理北或磁北)传播的波向为 0
一个水池水位自动控制系统如图1-1所示试简述系统工作原...讲课稿
根据磁场对载流线圈的作用定律，有
其中， 是电动机转矩常数。
根据电磁感应定律，有
其中， 是反电势常数。
根据牛顿第二定律，有
得
得
电枢电感 通常较小，若忽略不计，系统微分方程可简化为
当电枢电感 ，电阻 均较小，都忽略时，系统微分方程可进一步简化为
【例2-10】试求图2-5所示机械平动系统输入为 ，输出为 时的传递函数
【例2-21】设描述系统输入输出关系的微分方程为
（1）若选状态变量为 ， ，试建立系统状态方程；
（2）若重选一组状态变量 和 ，使得 ， ，试建立系统在 坐标系中的状态方程。
【解】（1）由系统微分方程可知
矩形形式为
系统矩阵A为友矩阵。
（2）两组状态变量之间的关系为
因此非奇异变换矩阵
，
，
此时状态方程为对角线标准型。
此系统有8个单独回环，即
两个互不接触的回环有6种组合，即
三个互不接触的回环只有1种组合，即
由此可求特征式
有5条前向通道，因此
将以上结果代入梅逊公式，可得系统的传递函数
【例2-20】控制系统方框图如图2-18所示，求：
（1）由方框图设置状态变量，直接确定状态空间表达式；
（2）求出系统的传递函数，建立规范型状态空间表达式。
此系统有3个单独回环，即
两个互不接触的回环有1种组合，即
由此可求特征式
从源节点到汇节点B有1条前向通道，因此
将以上结果代入公式，可得系统的传递函数
从源节点到汇节点D有2条前向通道，因此
将以上结果代入梅逊公式，可得系统的传递函数
【例2-19】已知下列方程组：
试求传递函数
【解】可先根据方程组画出信号流图如图2-17所示，然后由梅逊公式就可求解。
基于潜堤地形上的波浪传播模拟
科技资讯2017 NO.19SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION学 术 论 坛197科技资讯 SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION 河口海岸附近区域具有丰富的资源、密集的人口、发达的经济,且在此区域内航道的开发、港口的建设、海岸工程的防护对于沿海地区的发展起着重要的作用。
准确计算堤前波要素成为港口、海岸和近海水工建筑物设计和规划的前提。
潜堤在保护海岸工程建筑物发挥巨大的作用。
因此,该文基于FLUENT对波浪在潜堤上的传播模拟做了一定研究。
结果表明利用推板式造波法能够模拟波浪在潜堤地形上的传播,为进一步研究波浪爬高、波流相互作用积累了经验。
1 研究背景及意义河口海岸附近区域具有丰富的资源、密集的人口、发达的经济,且在此区域内航道的开发、港口的建设、海岸工程的防护对于沿海地区的发展起着重要的作用。
准确计算堤前波要素成为港口、海岸和近海水工建筑物设计和规划的前提。
波浪在由深水向近岸传播的过程中,由于水深的变化,近岸区域的边界和建筑物等各种因素的作用,波浪会发生一系列的变化,例如有反射、绕射、折射、破碎等复杂多变的物理现象。
解决这一问题的研究方法现在主要有三种方法,分别是理论研究、物理模型试验以及数值模拟。
理论分析对试验和数值模拟具有相当重要的指导意义,但理论解通常是在简化模型的基础上求得,尽管对认识复杂问题的物理本质有着不可替代的作用,但是在解决实际工程问题中有局限性。
物理模型试验是通过实验波浪水槽,可以对波浪的产生、传播以及衰减等特性进行详细的实验观察,从而奠定了研究波浪理论的物理基础。
同时波浪水槽实验也为海洋、海岸等工程设计提供了可靠以及有效的实验数据。
而且很多水动力学中的非线性问题常常可以在实验水槽中观测得到。
正是由于波浪水槽实验对于包括海浪在内的水波动力学研究具有如此重要的作用,各研究机构建造了波浪物理实验模型,进行各种环境下波浪传播变形的物理模型试验。
数值波浪水槽造波技术及工程应用研究
数值波浪水槽造波技术及工程应用研究张淑华;杨方方;赵传刚【摘要】在充分了解数值水槽模型、数值造波、消波理论基础上,不仅分别利用设置造波边界法和质量源项法在Fluent软件中模拟出较为有效的线性波和弱非线性的二阶Stokes波,还将建筑物添加到所构造的波浪数值水槽中,利用波浪数值水槽不拘泥于特定波浪的特点,按照有已知实测资料的波浪和建筑物相互作用的波浪水槽进行建模,提出了适合不同建筑物和不同造波方法的网格构建方法.优化了水槽的构建,并验证了水槽的有效性.最后分析了两种方法的优缺点及适用性,为波浪与建筑物相互作用的深入研究奠定了基础.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2013(013)027【总页数】7页(P8046-8052)【关键词】设置造波边界法;质量源项法;潜堤;T型防波堤【作者】张淑华;杨方方;赵传刚【作者单位】河海大学港口海岸与近海工程学院,南京210098;河海大学港口海岸与近海工程学院,南京210098;河海大学港口海岸与近海工程学院,南京210098【正文语种】中文【中图分类】TV653随着海洋工程的不断发展，波浪和建筑物的相互作用成为人们关心的课题。
进入21世纪以来波浪理论和数值造波、消波理论的完善以及大型商用软件的普及，计算能力的增加使得波浪数值水槽的有效性、可行性大大增加，应用范围更加广泛。
因此，数值波浪水槽成为研究波浪与建筑物相互作用的主要手段之一。
国内最早由刘加海［1］利用 Fluent软件模拟推板式造波的二维波浪数值水槽。
李本霞［2］利用域内源造波及边界层消波的方法，建立了基于势流理论具有良好适应性的二维随机波浪数值水槽。
周勤俊［3］采用了有限体积法，将入射波场作为人工分布的源项加入动量方程，提出了基于动量方程的源项造波消波方法，并对于海堤的越浪进行了模拟。
李胜忠［4］通过Fluent软件，利用设置奇点源项造波法模拟出了孤立波和随机波。
严汝建［5］基于摇板式造波理论，利用阻尼层消波，通过Fluent软件模拟出二维的规则波和不规则波。
一个水池水位自动控制系统如图1-1所示试简述系统工作原...讲课稿
控制量希望水位的设定值
被控制量实际水位
扰动量出水量
被控对象水池
测量元件浮子
比较元件电位器
放大元件放大器
执行元件电动机、减速器、进水阀门
系统的方框图如图1-2所示。控制系统中各元件的分类和方框图的绘制不是唯一的，只要能正确反映其功能和运动规律即可。
图1-2水池水位控制系统方框图
此系统有8个单独回环，即
两个互不接触的回环有6种组合，即
三个互不接触的回环只有1种组合，即
由此可求特征式
有5条前向通道，因此
将以上结果代入梅逊公式，可得系统的传递函数
【例2-20】控制系统方框图如图2-18所示，求：
（1）由方框图设置状态变量，直接确定状态空间表达式；
（2）求出系统的传递函数，建立规范型状态空间表达式。
【例2-21】设描述系统输入输出关系的微分方程为
（1）若选状态变量为 ， ，试建立系统状态方程；
（2）若重选一组状态变量 和 ，使得 ， ，试建立系统在 坐标系中的状态方程。
【解】（1）由系统微分方程可知
矩形形式为
系统矩阵A为友矩阵。
（2）两组状态变量之间的关系为
因此非奇异变换矩阵
，
，
此时状态方程为对角线标准型。
由此分别得到图2-9a和2-9b，将图2-9a和2-9b组合起来即得到图2-9c，图2-9c为该一阶RC网络的方框图。
（a）（b）（c）
图2-9一阶RC网络的方框图
【例2-13】画出下列RC网络的方框图，并求传递函数。
图2-10两级RC滤波器电路
【解】（1）首先根据电路定理列出方程，写出对应的拉氏变换，也可直接将上图转化成运算电路图的形式，如下图
三维数值波浪水池技术与应用
5Ε + 5t
(u Ε ) =
(Μ ΕE ) + C 1S 1 Μ eE 2ຫໍສະໝຸດ kΕ- C2
Ε
k
2
0 1 2 3 4 5 6 7 8
( 5)
其中 Μ k = Μ e Ρk , Μ Ε= Μ e ΡΕ, S =
E. 各经验
系数的值按照标准 k 2Ε湍流模型的建议[ 10 ] 取为 Ρk = 1. 00, ΡΕ = 1. 30, C 1 = 1. 44, C 2 = 1. 92. 求解基本方程 ( 1) 、( 2) 、( 4) 和 ( 5) 的差分网 格由长方体单元组成. 网格单元体的 3 个尺度分 别记为 ∃ x i、 ∃ y j 和 ∃ z k , 如图 1 所示. 在单元体中, 变量按交错网格布置, 即压力 p 和流体体积函数 F 定义在单元体的中心, 速度分量 u、 v 和 w 定义 在单元体各侧面的中心. 方程的离散格式参考文 献 [ 9 ], 采用 SOLA 2 VO F 方法求解, 其基本思想 是: ( 1) 将前一时刻流场的计算结果代入动量方 程的显式差分格式, 求出当前时刻流场的近似值; ( 2) 对压力进行迭代修正, 使得连续方程在一定 的精度下得以满足, 对表面单元体要求满足自由 表面动力学边界条件 ( 通过线性插值的办法确定 表面单元体中心的压力) ; ( 3) 完成压力迭代后, 对流场进行再修正; ( 4) 将修正后的速度代入 k 2Ε 方程的差分格式求紊动动能和紊动动能耗散率.
图 1 差分方程的单元体结构
F ig 11 Cell structu re of fin ite difference equation
对整个流场完成上述求解过程后, 还需确定 当前时刻的自由表面 . 按 VO F 方法对流体体积 函数 F ( x , y , z , t) 的定义, 自由表面单元体为具 有非零 F 值, 且与它相邻的 6 个单元体中至少有 一个是 F 值为零的空单元体. F 函数应满足的方 程为 5F + 5t
基于fluent软件的海洋工程波浪水槽研究——造波方法及波浪监测
在波长都取10m的前提下，通过改变速度边界的波 长参数，分别制造出波高位0.4m，0.6m，0.8m的 二维数值波浪。具体情况见下表： 波长(m) 波高(m) 周期(s) 10 0.4 2.53 10 0.6 2.53 10 0.8 2.53
建模及网格的划分 水池模型长150m，高10m,水深5m。后10m为消波区。
研究内容与目标
推板造波是模拟物理边界的运动，根据势流理论，通过控 制推板的推程和周期来使数值水池中产生相应波高、波长 的数值波。
X 0 u(t ) cost 2
2 X 0 2 cosh kh sinh kh ( x, t ) cos(kx t ) kg(sinh 2kh 2kh)
实验过程 通过在UDF中设置推板运动的推程和周期可以控制波浪的波长与 波高。本实验中，分两组分别研究推板造波制造不同波长与波高的二 维数值波浪的质量。
波长变化 在波高都取0.6m的前提下，通过改变推板运动的推程和周期，分 别制造波长为6m、8m、10m的二维数值波浪。具体情况见下表： 波高(m) 周期(s) 推程（m) 0.6 0.6 0.6 1.96 2.26 2.53 0.237 0.268 0.291
研究内容与目标首先本文利用成熟的商业软件fluent使用vof方法通过求解navierstokes方程对当前数值造波技术中比较有代表性的推板造波方法和设置边界条件的造波方首先本文利用成熟的商业软件fluent使用vof方法通过求解navierstokes方程对当前数值造波技术中比较有代表性的推板造波方法和设置边界条件的造波方法在二维的模式下进行了较为系统的研究研究内容与目标并对三维模式下的数值造波技术进行了初步研究
研究内容与目标
首先，本文利用成熟的商业软件FLUENT， 使用VOF方法，通过求解Navier-Stokes方 程，对当前数值造波技术中比较有代表性 的推板造波方法和设置边界条件的造波方 法在二维的模式下进行了较为系统的研究
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摘 要 ： 章介 绍 厂自研 的分 段 摇 板式 造 波 系 统 ．该造 波 系 统 在拖 曳水 池 安装 完 成 后 ， 行 了造 波 机 的 传递 函数 试 文 ． ＝ 进 验 ， 与势 流 论 结 果 进行 ｒ比较 。 过 试 验 得 到 ， 并 通 陔造 波 系 统具 有 良好 的频 响 特 性 。同 时 ， 由分 析 比较 ¨ 知 ， 丁 存 进 行 造波 机 初 步 设计 时 ， 用 势 流 理 论计 算 的造 波机 最 人 冲程 应 至 少 增加 ５ 采 ％。 关 键 词 ： 池 ； 波 机 ； 制 ； 递 函数 水 造 控 传
年初 ， 国船 舶科学研 究 中心又对 其拖 曳水池造 波机进 行 ｒ改造 ， 中 建造 了新 的摇板 式造 波机 ， 也采 用 Ｊ ，
类似 的结构形 式 为 了更 详细地 了解此 类造 波机 的性 能 ， 目组财 拖 曳水 池 中的 电动缸 摇板式 造波机 ｌ 。 项
的传 递 函数进 行 了测试 ， 并与势 流理论 计算结果 进行 ＿对 比， 以后 造波 机设计建 造打 下基础 。 『 为
波机 的需 求越 来越大 ， 技术要 求也 越来越 高 。 早期 ， 国内造波 机多为 国外 引进 ， 现在 已逐步 发展 为引进 、 改造 和 国产化 相结合 。早 期的 国产造波 机 只能制造规 则波 和长 峰不规 则波 ， 一般 采用 液压 驱动 。近年
来， 由于技术 的进步 ， 内也 逐渐 建造分 段式多 向造波 机 。 中国船 舶科 学研 究 中心于 ２ ０ 国 ０ ９年 ９月建造 了一套 分段摇 板式 多 向造 波系统＿ 采用 电机驱 动 电动缸 的形 式 ， 得 了较 好 的效 果 。２ ０ １ ］ ， 取 ０ ９年末 至２ １ ００
Ｋｅ ｒ ：ｔ ｎｋ ｙ ｗｏ ｄｓ ａ ；ｗａ ｅ ｋ ｒ ｃ ｎ ｒ ｌ ｒ ｎ ｆ ｒｆ ｎ ｔｏ ｖ ｍａ ｅ ； ｏ ｔｏ ；ｔａ ｓｅ ｕ ｃ ｉｎ
１ 引 言
近年来 ， 由于船 舶与海 洋工程 研究 的需要 ， 内越来 越 多 的大 学 和研究 机构 建立 ｒ波浪 水池 ， 国 对造
第 １ ５卷第 １ 期 １ ２１ 年 ｌ 月 ０ １ １
文章 编 号：１ ０ — ２ ４ ２ １ １ —１ ３ — ６ ０ ７ ７ ９ （ ０１ ） １ ２ ４ ０
Ｖｏ ＿５ Ｎｏ １ ｌ１ ．ｌ
ＮＯ ．２ １ Ｖ ０ｌ
水池摇板式造波机传 递 函数研 究
郑 文 涛 ，姚 木 林 ，兰 波 ，张 波
２ 造 波 机简 介
拖 曳水池 造波 系统 由机械 系统 、 电控 系统 和软件 系统组 成 ， ｌ 示 为造 波机 摇板 以及 电动缸 照 图 所
收稿 日期 ： ０ ０ — ７ ２ １一 ８ １ ｌ
作 者 简 介 ： 史涛 （９２ ）男 ， 国船 舶 科 学 研 究 中心 Ｉ程 师 ； 郑 １８ 一 ， 中
ｎ ห้องสมุดไป่ตู้
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Ｃ
Ａｂｓ ｒ ｃ ： ｓ ｇ ｎ ｅ ｏ ｋ ｒ ｆａ ｖ ｍａ ｒ ｓ ｓｅ ｄ ｖ ｌ ｐ ｄ ｂ Ｓ ‘ ｐ ｅ ｅ ｔ ｄ ｔ ａ ｔ Ａ ｅ ｍｅ ｔ ｄ ｒ ｃ ｅ － ｐ ｗａ ｅ ｋｅ ｙ ｔ ｍ ｅ ｅ ｏ ｅ ｙ ＣＳ ＲＣ １ ｒ ｓ ｎ ｅ ．Ｔｈｉ ｖ ｍａ ｅ’ ｌ Ｓ ｓｗａ ｅ ｋ ｌ ｉ ｎ ｔｌｅ ｔＣＳ ＲＣ ｔｗｉ ｇ ｔｎｋ ｉ ｓｉ ｓａｌ ｄ ａ Ｓ ｏ ｎ ａ ｎ ｗｈｉｈ ｔ ｅ ｔａ ｓｅ ｕ ｃ ｉｎ ｆｔ ｅ ｗａ ｅ ｋ ｒａ ｅ ｔ ｓｅ ，ａ ｄ ｔ ｅ ｒｒ — ｃ ｈ ｒ ｎ ｆｒｆ ｎ ｔ ｓ ｏ ｈ ｖ ｍａ ｅ ｒ ｅ ｔ ｄ ｎ ｈ ｉ ｅ ｏ ｓ ｉｓａ ｅ ｃ ｍｐ ｒ ｄ ｗｉ ｈ ｅ ｕｌｓｃ ｌ ｕ ａ ｅ ｙ ｐ ｔ ｎ ｉｌｔ ｅ ｒ ． ｅ ｒ ｓ ｌｓ ｓ ｏ ｔ ａ ｈ ｖ ｍａ ｅ ｓ ｕ ｔ ｒ ｏ ａ ｅ ｔ ｔ ｅ ｒ ｓ ｔ ａｃ ｌｔ ｄ ｂ ｏ ｅ ｔａ ｈ ｏ Ｔｈ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｈ ｔｔ ｅ ｗａ ｅ ｋ ｒｈａ ｈ ｙ ｇ ｏ ｅ ｐ ｎ ｅ ｐｅ ｆ ｒ ｎ ｅ ｎ ｈ ｏ ａ ｉｏ ｈｏ ｈ ｔｔ ｘ ｍｕｍ ｔｏ ｆｗａ ｅ ｋ ｒ ｃ ｌ ｕ ａ ｅ ｏ ｄ ｒ ｓ ｏ ｓ ｒｏ ｍａ ｃ ，ａ ｄ ｔ ｅ ｃ ｍｐ ｒｓ ｎ ｓ ｗｓｔ ａ ｈｅ ｍａ ｉ ｓｒ ｋｅ ｏ ｖ ｍａ ｅ ａ ｃ ｌ ｔ ｄ
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中图 分 类 号 ： ６ １ Ｕ６－ ３
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