二维波浪水池主动吸收造波实验研究

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作为开展海洋工程相关领域的物理模型实验的重要仪器,造波机在相关实验中起产生实验波浪的重要作用。与理论上无限大的真实海洋环境不同,实验室中造波水池的宽度和长度有限。由造波板产生的入射波传播到水池边界处即产生一次反射波,反射波逆向运动并在造波板处产生二次反射波。二次反射波与入射波叠加即会影响实验水池中的波浪场,使实验结果出现偏差。实验模型与造波板之间的二次反射波只能通过主动消波方法消除。此时,造波机既具有制造入射波的功能,亦具有吸收一次反射波的功能,这样的造波技术称为主动吸收造波技术。然而,应用于造波水槽的主动吸收造波技术并不等同于造波水池的主动吸收造波。前者仅通过单块造波板完成主动吸收造波,而后者需要实现多个造波板的协同工作。实验二维水池的主动吸收造波是实验三维水槽主动吸收造波的前提。
  在造波理论的创新上,本文从线性造波理论出发,介绍了二维水槽主动吸收造波多种控制方法。并在在时域控制法的基础上推导了二维水池主动吸收造波控制方程。其中,规则波主要通过时域控制法实现主动吸收造波,不规则波则通过代表频率法实现主动吸收造波。在二维水槽主动吸收方程的基础上推导了准三维斜向主动吸收造波的控制方程。
  在造波技术的实现上,本文针对造波水池中的造波控制延迟、信号干扰和多板控制协同控制等问题分别设计了对应的解决方法。在信号延迟方面,本文针对不同的信号延迟设计了对应的延时补偿方法,解决了信号延迟对主动吸收造波的影响。在信号干扰方面,本文利用干扰信号与波浪信号之间的频率差,设计了合适的数字滤波器,消除了干扰信号的影响。在多板协同控制方面,本文借助TwinCATNCPTP运动控制系统和Simulink可视化仿真工具设计了二维水池的主动吸收控制系统。该系统既可以通过多板控制,实现多块板的协同工作,也可以通过电子齿轮将其耦合,将8块造波板作为同一块造波板使用。
  在造波信号的处理方法上,本文通过Goda两点法实现了规则波和不规则波的入反射信号的频域分离。并借助希尔伯特变换方法实现了规则波造波信号的时域分离。通过对比多块造波板和单块造波板的造波效果,实验证明了多板造波对比单板造波的显著优势和在造波水池中实现多板主动吸收造波的必要性。
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