波流水槽在教学实验中的应用

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　　[摘 要]波流水槽可以在实验教学中得到很好的应用。在很多专业，波流水槽起到了十分关键的作用，尤其是船舶与海洋工程、港口航道与近岸工程两个专业。通过造波和造流系统，多门课程可以安排实验环节，例如，海岸动力学、工程水文学、水工建筑物、船舶原理等。在实验过程中，可以观察到清晰的现象，并得到十分有意义的数据。
　　[关键词]波流水槽;教学实验;造波;流速
　　[基金项目]2018年1月—2020年12月国家自然科学基金项目“Mie-Gruneisen多介质混合物模型的研究及其在水下爆炸中的应用”（11702066）
　　[作者简介]吴宗铎（1984—），男，江西南昌人，博士，广东海洋大学海洋工程学院讲师，主要从事水动力计算研究。
　　[中图分类号] TV139.2+5 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）32-0383-03 [收稿日期] 2020-01-31
　　一、概述
　　船舶与海洋工程是与海洋资源开发利用、海上运输船舶、捍卫海防密切相关的学科。21世纪是海洋大开发的时代，国家已进一步要求加快海洋科技创新步伐，强化船舶及海洋装备科技创新动力，提升海洋资源开发利用水平。
　　要了解海洋，首先需要了解波浪。作为海洋中最为常见的一种现象，研究波浪，不管是对航海运输、港口建设、还是对海洋结构物设计，都有着极大的帮助。物理水池试验与数值波浪水池计算的结合，已成为当前船舶与海洋工程结构物研究过程中主流的技术方法[1]（P1-15）。目前，国外技术比较先进的大型水池主要有：挪威MARINTEK海洋深水试验池;尼德兰MARIN的海洋工程水池;日本国家海事研究所的深水海洋工程水池等。国内的大型造波水池主要有：中国船舶科学研究中心适航性与海洋工程水池;上海交通大学海洋深水试验池等。
　　然而大型的水池，不仅造价昂贵而且占地面积大，如尼德兰MARIN的海洋工程水池，长45m，宽36m，水深10.2m，建造和维护成本相当高。相比大型的水池，数值实验水槽建造成本低，占地面积小，且能满足基础的教学和科研用途，对科研经费或实验场地有限的院校非常适合。建造一个数值实验水槽的成本仅需几十万，远远低于大型的实验水池。
　　二、波流水槽简介
　　试验实验室中包括如下装置：
　　1.槽配电控制柜：用于控制造波机电机电源分配，并监测电源情况。
　　2.波机控制柜：控制造波机启动和紧急制动。
　　3.移步平台：位于玻璃水槽一侧的平台，方便观察水槽内情况。
　　4.玻璃水槽：由厚钢化玻璃构成，四周为钢质骨架。
　　5.造波机：作为波流水槽系统的最重要组成部分，钢质机械构件，负责推动水槽内水体运动，从而造波。
　　6.流量控制柜：控制并显示当前玻璃水槽内水体深度、流速等情况。
　　7.造波机控制台：作为波流水槽系统的大脑，通过计算机内安装的造波系统控制造波机。
　　其中水槽为整套实验装置的主体结构。实验所用的水槽为玻璃结构（见图1），长度大约30—50米。一端装有造波板设备，板的高和宽与水槽贴合。另一端则装置了进水管。
　　在水槽两侧安装有由多孔介质构成的消能设备，用于消除反射波，尽可能地减少反射波对实验数据的影响。当波浪波高越高、波长越长，产生的反射波对实验数据的影响就会越严重。由多孔介质构成的消能设备能够有效地消除反射波。
　　国内外主流的造波机，以推板式和摇板式居多[2]。图2给出了两种造波板的具体形式。摇板式造波机通过造波板被约束在轴的下端，绕轴一定角度做循环运动，对水体运动状态产生影响。波长取决于绕轴运动的频率，波高取决于绕轴运动的摇幅。推板式造波机则通过造波板沿直线导轨进行周期性往返运动，推动水体，对水体运动状态产生影响。造波板的推程及速度决定波高，造波板的运动频率决定波浪的周期。
　　水槽内的造流则由泵房内的循环水泵来控制。水槽前后两端，通过管道联入泵房内的电机组。通过设置泵房内的电机转速，来调节流速。在直流调速系统的作用下，如果想增加流速，可以通过流量控制柜使直流电机转速增加。当流速升到与流速给定值相等时，流速调节器输出稳定在某一数值上，直流电机转速也稳定在某一转速上，因而流速也稳定在对应的数值上。一般来说，流速大小和电机的转速成正比。
　　三、实验教学
　　在船舶与海洋工程、港口航道与海岸工程这两门主要海洋学科与近海学科的专业中，有很多学科将波浪和急流作为学习对象，此时波流水槽可为这些课程提供实验教学的条件，如海岸动力学、工程水文学、水工建筑物、船舶原理等，同时为相关课程承担一定的科研服务。
　　（一）海岸动力学
　　海岸动力学是研究海岸水动力和海岸泥沙运动的課程[3]（前言）。其中，海岸水动力学主要涉及有限水深波浪的运动，可利用波流水槽来认识有限水深波的运动。利用造波系统，可以很方便地完成多种波浪的造波，如正弦波、斯托克斯波、浅水非线性波等。由于海岸动力学中较少涉及深水波浪，在水深有限的情况下可利用深度约一米的波流水槽完成常见波浪的造波。造波过程比较简单，造波机归零后设置好目标的波浪参数，无论是利用推板式还是摇板式，大约经历两三个波长后波形即可稳定。此时，可利用波高仪记录下波浪的波高、周期等数据。同时，玻璃水槽侧面的移步平台的长度较长，提供了足够的空间让实验者观察造波的过程。
　　另外，海岸泥沙运动中，水流的流速也是一个很关键的内容。利用波流数值水槽，可以完成恒定流和非恒定流的造流实验。相比造波而言，造流涉及参数较少，实验也相对更简单。
　　（二）工程水文学
　　工程水文学是水文学的一个分支，是为工程规划设计、施工建设及运行管理提供水文依据的一门学科[4]（前言），主要分为水文分析计算和水文预报两方面。书中比较注重水的流动特性，且要求学生掌握河流流量与断面流速的测定方法。 　　实验中，流速仪的安置和使用是主要内容。由于波流水槽横截面尺寸整体较小，流速仪可以通过水槽顶部的支架比较方便的安置在水下的不同深度。同时，流量控制柜可以对不同深度的水流设置不同的流速，提供很好的实验条件。但是，如果想要设置某一特定的流速，流速的具体数值却无法在流量控制系统中直接设置，这样，需要靠调节电机的转速来进行反馈控制。
　　（三）水工建筑物
　　水工建筑物的主要学习对象是挡水、泄水、输水、引水、整治等各类服务于水利工程的建筑物[5]（前言）。其中，泄水建筑物是一个重要的教学环节。在实验教学环节中，可利用波流水槽进行泄水建筑物的消能实验。泄水建筑物主要指为宣泄超标的洪水或涝水的水工建筑，如堰、闸、桥、涵、陡坎等。而消能则是把建筑物宣泄出来的急速的水流转变为缓流的一种处理手段。常用的消能方式有3种：底流消能、挑流消能、面流消能。消能方式见图3。
　　在实验中，从水工建筑物泄水的流速，可以通过流量控制柜进行调节，保证实验期间流速稳定。另外，需要在消能装置前后，布置好流速计测量流速。
　　对于不同的消能方式，需要在水槽内安放不同的消能装置。由于消能装置前后方的流速计分别用来测消能前后的急流和缓流，可适当选择流速计的测量范围。根据前后的流速，可以判断消能效果。而消能的实验过程，站在玻璃水槽两侧，可以很清楚地进行观察。
　　如果还需要测量泄水建筑物的压力，则需要在实验水槽中安置建筑物的模型，此时，实验装置的布置会显得相对比较复杂。
　　（四）船舶原理
　　船舶原理是船舶与海洋工程专业的一门主修课程，涵盖了船舶静止和航行时的各项动力学性能，包括浮性、稳性、抗沉性、快速性、操纵性、耐波性等内容。[6]（前言）其中，耐波性是以波浪为研究对象的非常抽象的内容，可适当安排教学实验。
　　在耐波性的教学环节中，不规则波的理论体系基于长期的统计数据，学习起来比较吃力。此处，可适当安排教学实验来帮助加深认识。在波流水槽中，由于造波系统提供了Jonswap谱、B-M谱等常见的波浪谱，可以利用凑谱造出不规则波。图4的系统界面列出了多种不同波流谱，可供实验人员选择。造波的步骤与规则波相同。但是，规则波有统一的波浪参数，但不规则波由多个不同波高和周期的规则叠加而成，在水槽实验中无法测量到统一的波高和周期，仅能得到无规律性的水位变化曲线。但是波流水槽依然提供了一个很好的条件，供实验者观察多种的不规则波。
　　另外，船舶原理中关于快速性的部分，船模阻力实验与螺旋桨敞水实验都出现在教学环节中，这两个实验通常在实验水池中进行。但是在波流水槽中，實现难度较大，都需要配备和水槽相适应的船模、桨模、固定装置、螺旋桨主机等，且阻力和转矩等主要参数测量困难。
　　四、总结
　　综上所述，波流水槽可以很便利地造出船舶与海洋工程、港口航道与海岸工程等专业中常见波浪和水流，在观察波浪及水流的运动形态变化方面起到了显著的作用，并提供了良好的条件来帮助学生了解和掌握其中的动力学特征，从而很好地服务于本科教学实验。
　　相比波浪水池，实验装置简单的波流水槽能完成常规的数字造波，并通过电机转速来控制流速，从而完成水动力学相关专业领域内的很多本科教学实验。然而，对于部分复杂的实验，波流水槽的效果依然十分有限，无法替代波浪水池。
　　参考文献
　　[1]李宏伟.造波理论与方法研究[M].哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2013：1-15.
　　[2]蒋颉.主动吸收式造波机造波原理研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.
　　[3]邹志利.海岸动力学[M].北京：人民交通出版社，2009：前言.
　　[4]邱大洪.工程水文学[M].北京：人民交通出版社，2011：前言.
　　[5]杨邦柱.水工建筑物[M].北京：中国水利水电出版社，2009：前言.
　　[6]盛振邦，刘应中.船舶原理（下册）[M].上海：上海交通大学出版社，2014：前言.
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