马玉麟 孙永明 王帅军

摘要：本文阐述了实验水池中造波机及其理论的研究。结合造波技术的发展趋势，概述了国内外现有的波浪模拟技术。

波浪是海洋中非常重要的自然现象，不仅是海岸与海洋工程建筑物以及船舶收到的主要载荷，也是引起海岸泥沙运动的主要动力之一。因此，海洋波浪模拟作为一项重要技术，对此的研究在船舶、港口、海洋工程等领域占有重要的位置，也有着极大的现实意义。随着海洋工程的发展，新的海洋环境对造波技术及波浪模拟提出了更高的要求。

1 造波机及波浪模拟技术

众所周知，海浪是一种三维的随机过程，其周期、波高均随即变化。在实验室中，我们通常使用规则波、二维不规则波、二维方向波及三维不规则波来对海浪进行描述。通俗的说，只要对水面进行扰动, 水面就会有波浪产生。造波机即为给水以扰动的机械用于模拟波浪。

1.1 造波机的发展

我国在造波方面的研究工作从二十世纪五十年代起步，最初使用的造波装置主要是简单的电气装置。到七十年代中期，开始逐渐采用模拟信号装置来控制。随着科技的发展，如今已完全采用计算机进行造波控制。目前，主要的造波机类型可分为：摇板式，推板式，冲箱式以及空气式造波机。其中，摇板式和推板式造波机应用最广泛，因为这两者具有结构简单、控制方便、便于维护的特点。摇板式一般应用于深水域造波，而推板式一般运用于浅水域造波。其工作原理及示意图如下表1 。拥有性能良好的造波系统是提高波浪模拟技术的重要一环。

1.2 实验室波浪模拟技术

天然波浪是很复杂的，人们对它的认识和研究过程是由简到繁，由浅入深的，即由单向规则波→斜向规则波→单向不规则波→多向不规则波。实验室中，把波浪分为规则波及不规则波两种。规则波模拟：在一般情况下，将实验中使用的规则波定义为二元微幅进行波。即正弦波。对于线性造波系统，只要输入一正弦的控制信号电压，就可以造出相应的正弦波来。将试验所需规则波的波高除以造波机的传递函数，就可以得出信号电压的幅值，而所需的周期就是信号电压变化的周期。不规则波模拟：在自然界中，实际的海浪属于不规则波。其特点是波浪的波高和周期大小的随机变化的，因此无法简单地给出确定的特性值。将海浪看成一个平稳的随机过程，由多个不同周期和不同随机初位相的余弦波叠加而成。实验中，通常通过波浪的特征量，如波高、周期、波速等，应用的波浪谱来描述。

2 无反射造波

当波浪遇到障碍物时，会发生部分或全部的反射。在自然条件下，海洋结构物所处的海域环境是一个开放的边界，反射波随后传向无边的外部海域，在这个过程中，反射波不断地衰减直到消失。而在实验室波浪模拟试验中，不可能建造无限大的水池或水槽。因此一段时间内一部分波浪会传播到水池的尽头产生反射波，反射波以与入射波相反的方向传播，遇到造波板上，又形成了二次反射波。在封闭的环境中，反射波与入射波反复相遇，多次来回反射产生干扰，很大程度上影响了波浪的质量，也影响了整个实验的准确度和精度。为了解决这个问题，研究人员想到加长实验水池的长度，或是减短造波的时间，但这都不能有效解决问题。在这种情况下，无反射造波技术便应运而生，造波机也向着吸收式造波的方向发展。目前，国内外对消波技术的研究也不断深入，实验室有两种常用的消波方式称为主动消波和被动消波。被动消波：在水池中设置消波器及填充材料，对造波板与池壁间的反射波进行削减，主要的消波器形式有斜坡式和直立式。被动式消波系统可以在一定程度上吸收一次反射波，不能消除二次反射波。而主动式消波系统能够使生成的波总是保持在一个较为理想的状态。所谓主动消波是通过在造波板上或板前安装波高仪，测量反射部分，然后加给发生器一种与原来运动反向的信号，从而获得吸收反射波的效果。

3 结论与展望

综上所述，人们现阶段对造波机波浪模拟技术的研究达到相当深度。其中造波系统和消波技术是对模拟波浪研究中重要的两个环节。相信学者对现有理论和实验成果的进一步探究，必定能推动海洋波浪模拟技术的快速发展，模拟出更接近实际海况的实验环境，便于操作计算，并作为研究基础，推动中国海洋工程的发展。

参考文献

[1] 刘月琴,尹尚生.实验室造波设备及波浪模拟技术的探讨[J].华南理工大学学报(自然科学版),2000,(28):6.

[2] 顾挺锋.海洋工程水池波浪生成的数值模拟[C].哈尔冰工程大学,2009.