[發明專利]一種三維耦合測控裝置及方法

有效

• 申請號: 202010139740.9
• 申請日: 2020-03-03
• 公開（公告）號: CN111256948B
• 公開（公告）日: 2021-11-30
• 發明（設計）人: 潘軍寧;王登婷;孫天霆;王樹鵬;琚烈紅;劉清君;黃哲;李巖汀;鄒春蕾;陳茂雯
• 申請（專利權）人: 水利部交通運輸部國家能源局南京水利科學研究院
• 主分類號: G01M10/00
• 分類號: G01M10/00
• 代理公司: 北京方圓嘉禾知識產權代理有限公司 11385
• 代理人: 馮靜

本發明公開一種三維耦合測控裝置及方法，所述裝置包括：造波機、兩端進出水口、實驗區域、蓄水池、水位測量儀、波高儀、工控計算機、變頻器和雙向泵電機；工控計算機根據水位測量儀檢測的水位變化生成水位調節指令發送至變頻器，以使變頻器根據水位調節指令控制雙向泵電機的轉速和轉向，進而通過兩端進出水口將試驗區域內的水抽排至蓄水池，使試驗區域的水位達到設定水位；還根據波高儀檢測的模擬結果對離散的多個造波文件進行自動迭代修正與拼接，并將處理后的造波文件發送至所述造波機，以使造波機根據處理后的造波文件進行造波，使試驗區域的水位達到設定波高和設定周期。本發明能夠實現實驗室模擬波浪、潮汐和風暴潮三維耦合實驗。

技術領域

本發明涉及海岸工程物理模型實驗技術領域，特別是涉及一種三維耦合測控裝置及方法。

背景技術

目前，國內已存在二維水槽中風暴潮、波浪動態耦合的模擬方法(陳茂雯,潘軍寧,王登婷,等.波浪與潮汐耦合模擬技術研究[J].水運工程,2019,551(01):38-43.)，實驗中將連續的風暴潮水位變化過程與加密離散后的波浪過程進行疊加，利用水槽造波機和尾門生潮設備連續生潮造波，在實驗室二維水槽中實現了水位和波浪的同步變化，實現了波浪與潮汐的動態耦合模擬。上述模擬方法不能真實地反應波浪與海岸建筑物之間的三維相互作用機理，具有一定的應用局限性，不能較好地、全面地解決實際問題。

由于三維港池場地往往較大，若在三維港池中采用尾門生潮設備，尾門數量及規模將明顯增加，導致造價過高；且控制流量增減所需尾門開啟度變化幅度較大，導致模擬精度不夠。

國外三維港池試驗中采用的風暴潮水位過程線是呈階梯型而不是連續變化的，與實際風暴潮作用過程有所不同。試驗中采用的風暴潮水位過程線呈階梯型而不是連續變化的，水位每1.5或3小時變化一次，每次變化0.1m，這與實際風暴潮、波浪對海堤的作用過程有明顯不同。2018年，荷蘭三角洲研究院Van Gent在實驗室三維港池中對風暴潮固定水位與斜向浪進行耦合，并探究耦合情況下海堤的沖刷情況，試驗結果顯示波浪的傾斜角度會影響海堤護面塊體的沖刷深度，對于較大的波角，侵蝕量減少，垂向波最大。由此可以看出，風暴潮期間的水位變化對海堤的破壞以及堤前沖刷淤積作用都起著重要的作用，實驗現象與傳統固定水位作用時有較大差異。同時，波浪的傾斜角度也會顯著影響試驗結果。

二維水槽試驗相較于三維港池試驗存在的主要問題是：

1、由于波浪的斜向入射、淺水變形、折射和繞射等現象，部分區域或部位(如堤頭段、拐角段、地形變化較大段)會呈現出復雜的三維水動力特性，二維水槽中只能考慮波浪正向作用，不能反映斜向入射時帶來的波浪三維水動力特性，與現實情況存在差異，存在安全隱患。

2、波浪在復雜地形上破碎變形的隨機性很大，防波堤在礁盤地形下的穩定性有明顯降低，二維水槽中不能反映實際工程區域附近的地形變化，因此不能較好地反映波浪與三維地形尤其是復雜地形條件下的傳播變形情況。

3、二維水槽中不能全面地反映海堤潰決后波浪在后方三維陸域上的傳播，不能體現洪水涌入、傳播和退卻的真實全過程，不能對受災全過程進行全面仿真模擬。

此外，實驗室中對波浪和水位組合的傳統模擬方法為在固定水位條件下疊加波浪，一般根據規范(《波浪模型試驗規程》(JTJ/T 234-2001)、《港口及航道水文規范》(JTS145-2015)等)取多個設計水位與設計波浪的組合進行研究，這與實際的連續的水位及波浪變化過程存在一定差異，不能全面、準確地模擬出真實的風暴潮期間水位變化情況以及對應的波浪條件。因此傳統的固定水位條件下疊加波浪的模擬方法存在的主要問題是：

1、水位的選取數量有限，不能保證包含對實際工程最不利的水位，存在工程安全隱患。

2、在實際風暴潮過程中，高水位的作用時間往往較短，傳統試驗方法用于高水位時過于保守，提高了工程造價，造成了不必要的資源浪費。

3、模擬水位變化過程與實際不符，不能反映風暴潮與海堤等海岸建筑物的真實作用及破壞過程。