河口海岸工程风暴潮灾害全动力实验室模拟系统及其方法与流程

本发明涉及一种实验室模拟系统，具体涉及一种河口海岸工程的风暴潮灾害全动力实验室模拟系统。本发明还涉及这种实验室模拟系统的实验方法。

技术背景

由于潮汐(含风暴潮)与波浪作用时间长度差异较大，同时在实验室进行河口海岸工程结构安全，往往采用正态或小比尺模型，在实验室往往采用对应于潮汐作用时不同水位，不同流速分别进行风、波浪对建筑物作用的实验。近年来，也有采用变化水位或采用相应潮流过程来改进潮流的实验方法。例如：第2017100391776号中国专利申请，公布了一种实验室中耦合生成非规则海岸带波浪潮汐的装置：包括水槽(池)、单摆式造波机、自动升降式潮汐发生器、控制计算机；装置的最上游布置自动升降式潮汐发生器,自动升降式潮汐发生器下游端连接水槽(池)入口,水槽(池)入口处布置单摆式造波机,所述控制计算杋控制水槽(池)的水流量、单摆式造波机的运动和自动升降式潮汐发生器的升降。所述水槽(池)包括回水槽(池)、变频泵、连接管道、水槽(池)试验段和流量控制系统；所述水槽(池)试验段通过连接管道连接回水槽(池),回水槽(池)通过变频泵与自动升降式潮汐发生器的进水口相连。

然而，天然条件下，风、潮和波浪是共同作用的，现有技术中的设备与方法却不能真实的模拟这种天然潮流。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种河口海岸工程的风暴潮灾害全动力实验室模拟系统，解决传统技术不能真实的模拟天然潮流中风、潮汐、增水和波浪共同作用的问题，可以真实模拟河口海岸区域港口航道泥沙骤淤岸滩演变，研究海洋、水利、港口、渔业、军事工程结在台风暴潮和强浪联合作用下灾害范围和安全。

完成上述发明任务的技术方案是：该河口海岸工程的风暴潮灾害全动力实验室模拟系统的动力系统由风系统、生潮系统、造波系统、生流补充系统四部分组成。在试验水槽(池)，由风系统产生台风引起的风浪和风暴引起的增水；由生潮系统主要产生天文潮；由造波系统产生主要需要的涌浪；用生流补充系统补充产生必要的水流。运用流体动力学基本理论和机械控制理论，对产生以上四种动力系统设备进行综合控制和补偿，达到符合工程设计和模型理论的目的。

控制系统设备构造平面图如图1；横剖面图如图2；

各系统组成如下：

生风系统：由风道、风机和风速仪组成；风机可是吸入式或吹出式。由计算机控制可产生恒定风或具有特定风谱的随机风；

生潮系统：由潮水箱、压力施加设施、消波器、尾板、流速仪、水位仪等组成。潮水箱容积与水槽尺寸和所需产生的潮汐有关；压力施加设施可以是由风加压或由减压方法形成负压)组成；消波器长度需要除的波浪尺寸有关；压力施加设施和尾板由计算机控制。

生波系统：由造波机、波高仪、消波器等组成；造波机由计算机控制可产生规则波和不规则波造波机组成，也可有主动式再反射吸收装置。

生流补充系统：由蓄水池、回水管道和多台双向泵组成。双向泵装备流量计且由计算机控制流量。

以上是模拟系统的构成。各系统组成部件及其功能见附录(1)。

其中，所述造波机：能够在实验水槽(池)中形成规则波或不规则波(采用现有技术中的造波机)。

所述风道是一个设置在实验水槽(池)(与水面)上面的密封管道(除与水面接触面以外的其他几面密封)。

本发明中所述实验水槽(池)的结构是：在实验水槽(池)的上、下游两端都自外向内地设有进(出)水池与潮水箱，该进(出)水池与潮水箱之间设有双向泵。潮水箱与实验水槽之间设有阀门。其中，上游双向泵与潮水箱结合，产生需要的水位和流量(速)；下游双向泵与尾板结合，尤其在落潮时，在水槽(池)中保持必须水量。双向泵的数量不局限于几台，可无限拓展直至达到试验要求。

所述进(出)水池，是蓄水供双向泵使用的水池。

进一步优化，在所述实验水槽(池)上还可以设有以下设备：

波高仪：控制需要的入射波浪。

adv：控制上游输入流量(速)。

消波器：消除水槽(池)震荡，改善尾板控制状况。

尾板：控制下游水位。

回水道：连通上下游进(出)水池。

附录：各主要设备名称(参照图1)：

1)试验水槽(池)

2)首蓄水池

3)潮水箱

4)风道

5)首消波器

6)造波板

7)潮流调整平台

8)尾消波器

9)尾板

10)尾蓄水池

11)输水管道

12)连通廊道

13)生潮动力

14)生风动力

15)双向泵

16)○w,h,h,v分别为测量风速、水位、波浪、流速量测仪器。

完成本申请第二个发明任务的技术方案是：上述河口海岸工程的风暴潮灾害全动力实验室模拟系统的使用方法，其特征在于，步骤如下：

开始实验前，在水槽(池)两端的进(出)水池中蓄水，同时在水槽(池)中放入试验初始需要的水量，选择好试验所需要的双向泵的数量，不使用的可以关闭其通水阀门，选择好需要使用的风机数量；

开始试验，首先进行稳水操作，造波机恢复初始状态，启动双向泵，风机及尾板控制，使其达到试验要求的初始流量(速)、风量及潮位；

然后导入试验数据开始试验，试验时造波机、双向泵、风机及尾板联动控制，同时采集水槽(池)内的波高、流速、水位等数据；

试验结束，停止造波机运转，再停止风机、双向泵和尾板的运转，让水槽(池)内的水回水库。

模拟理论和控制方式：

上述河口海岸工程的风暴潮灾害全动力实验室模拟系统的模拟方法和控制理论。

以上动力系统中一个或二个系统在大多实验中已广泛应用，但目前尚无实验室将四个系统的同时联合运行。同时，系统中各要素的相互作用，需要有合适的理论和控制方法，以产生科学研究所规定同时达到的水位、水流、波浪、风速。

(1)模拟理论：

实验室风和水动力与天然动力间采用佛汝德数(froude数)相似原理。

假定：

1)控制点的水位hm。设hini为初始水深，与动力生成有关的水位主要由水槽(池)风增水位hw和生潮系统产生的水位ht(t)组以及水流补充系统形成的水位hc(t)组成，波浪引起的增水可以忽略不计，则：

hm(t)＝hini+hw(t)+ht(t)+hc(t)；hini+hw(t)+ht(t)(1)

2)控制点的波浪要要素(波高h和波周期t)，由水槽(池)风成波(hw,tw)和造波机生成的波浪(hg,tg)二部分组成：

tg＝tmean≈α1t0(2-2)

其中α1是经验系数，取决于风成波与造波机生波的周期比值。下标mean是平均值t0是波周期期望值

3)控制点的流速由风生流vw、波浪引起水质点的运动vg、潮流vt和双向泵产生的水流vc。和水槽沿长度方向的水位梯度引起的水流vh，正比于水位沿水槽(池)长度方向x之比的水头梯度认为vw主要在水面附近；vg是周期性波动，时均为0；则控制点在水面下一定深度处的水流速度为：

或

其中α3q'm对应的是水位梯度产生流量。

尾板处水位为htt由式(1)得到。

如图1所示，模型3个控制断面，即参考控制断面；a为参考控制断面，b为目标控制断面，c为尾板控制断面。

输入控制断面由风速仪、水位计、流速仪、波高仪组成。各物理量与目标控制断面各物理量值大小相应，决定其大小。各物理量与潮水箱压力值、双向泵流量、造波机运动量间关系由传统的传递函数trp,trgc,trht得到。

目标控制断面由与输入控制断面相同的仪器组成；是模型试验断面，各物理量的设计值v0,h0,h0,t0由模型试验相似准则得到，其测量值是模拟系统需要达到的。

尾板控制断面则水位计(以及流速仪)组成，监控该断面的水位(或流量)，决定其高度(或开启度)以保证目标控制断面得到相应的设计值。

模拟系统通过模型控制模式，形成自动闭环反馈控制，达到风暴潮灾害全动力系统实验室模拟。

(2)控制模式

为了简化模拟的复杂性，模拟控制采用二步模式(这里已假定风浪是充分成长的。如风浪是非充分成长，则可分为三步模式，即第二步模拟潮流；第三步模拟波浪)。

1)风作用模拟控制。

该步控制主要进行风作用模拟，以减少与潮流和波浪模拟的相互干涉。控制主要得到风增水沿程分布hw(t)和风成浪hw,tw，其控制方式见图5；

2)全动力模拟。

该步在风作用模拟控制结果的基础上，进行水槽(池)全动力模拟，其反馈迭代模拟控制方式见图6。

本发明可以进行以下实验(本发明适用范围)：

1、风暴潮波浪相互作用过程机制研究；

2、河口海岸岸滩灾害性天气突变过程；

3、港口航道工程骤淤过程；

4、灾害性天气河口海岸工程局部冲刷过程；

5、灾害性天气海岸和提防安全防护研究；

6、浮式结构灾害天气过程安全研究；

7、抛石结构灾害天气过程安全研究。

本发明能够克服传统技术不能真实的模拟天然潮流中风、潮和波浪共同作用效果的不足，本实验室模拟系统可以真实模拟河口海岸区域港口航道泥沙骤淤岸滩演变、海洋、水利、港口、渔业、军事工程结构，在台风暴潮和强浪联合作用下灾害范围和安全状况。

附图说明

图1是本发明模拟系统平面图，a为参考控制断面，b为目标控制断面，c为尾板控制断面；

图2是本发明模拟系统断面图；

图3、图4分别是实施例1设备结构图；

图5、图6分别是控制总体框图。

具体实施方式

实施例1，河口海岸工程的风暴潮灾害全动力实验室模拟系统，在实验水槽(池)1的上游设有首蓄水池2和潮水箱3；在实验水槽(池)1内设有首消波器5、造波板6、潮流调整平台7、输水管道11、双向泵15和生潮动力13，在该实验水槽(池)1上还设有风道4，该风道4上游设有生风动力14。实验水槽(池)1中设有潮流调整平台7及○w,h,h,v分别为测量风速、水位、波浪、流速量测仪器16。实验水槽(池)1下游依次设有尾消波器8、尾板9和尾蓄水池10。

其中，上游双向泵与潮水箱3结合，产生需要的水位和流量(速)，潮水箱底部与水槽(池)是连通的，是通过底部的凹槽进水的，上游双向泵为十台；下游双向泵与尾板结合，尤其在落潮时，在水槽(池)中保持必须水量，下游双向泵为四台。试验时波高仪、adv等仪器都均匀布置于水槽(池)中央试验区域，波高仪布置二十台，adv布置四台。试验的各个设备都是通过网络或wifi和中控电脑连接，试验设备可以单独成模块控制，中控电脑和采集仪器通过rs485无线连接或者通过wifi无线连接，连接所使用的中继最多可同时连接256台无线设备并可以同步数据采集。

实验中，假定：

1)控制点的水位ηm，由水槽(池)风增水位ηw和生潮系统产生的水位ηi组成：即ηm＝ηw+ηi

2)控制点的波高hm，由水槽(池)风成波hw，潮位影响部分ht和造波机生成的hi组成：即hm＝hw+ht+hi

3)风和浪对潮位影响可以忽略不计，于是qm＝qi

于是：

ωi＝ωm

ηi＝ηm-ηw

hi＝hm-hw-ht

qi＝qm

风量ω可由风机(组)控制，风机的数量由试验要求所定，风量的大小是由风机对应的变频器进行实时控制，总风量是所使用的各风机风量的总和，试验时各风机的变频器随不同风量要求会自行拟合。

流量q可由双向泵控制，双向泵的数量由试验要求所定，总流量大小由各双向泵流量总和所定，有时为了更好的拟合流量和流速，个别双向泵需要向外出水，此时的流量qi(t)为负值。

波高是由造波机自行控制。

潮位由尾板自行控制。

其中：

输入控制断面由风速仪、水位计、流速仪、波高仪组成；各物理量与目标控制断面各物理量值大小相应，决定其大小；各物理量与潮水箱压力值、双向泵流量、造波机运动量间关系由传统的传递函数trp,trgc,trht得到；

目标控制断面由与输入控制断面相同的仪器组成；是模型试验断面，各物理量的设计值v0,h0,h0,t0由模型试验相似准则得到，其测量值是模拟系统需要达到的；

尾板控制断面则水位计以及流速仪组成，监控该断面的水位或流量，决定其高度或开启度以保证目标控制断面得到相应的设计值；

模拟系统通过模型控制模式，形成自动闭环反馈控制，达到风暴潮灾害全动力系统实验室模拟。

以上方法的控制模式分别有：

假定风浪是充分成长的，模拟控制采用二步模式；

如风浪是非充分成长，则分为三步模式：第二步模拟潮流；第三步模拟波浪；

风作用模拟控制：控制主要得到风增水沿程分布hw(t)和风成浪hw,tw；

全动力模拟：在风作用模拟控制结果的基础上，进行水槽全动力模拟。