沈 超,劉曙光,付小莉,鐘桂輝,董博靈

(同濟大學 水利工程系,上海 200092)

波浪是作用在港口、海洋和船舶等的主要荷載[1]。對于港口、航道及海岸工程專業(yè)的學生來說,對波浪運動特性[2]的學習是十分基礎(chǔ)和必要的。目前對波浪研究的主要方法有理論分析法、物理模型試驗法、現(xiàn)場觀測法和數(shù)值計算法。在物理模型試驗中,波浪水槽成為了研究波浪運動的重要設(shè)備[3]。但是由于波浪水槽造價貴,且物理模型試驗還會受到比尺的限制[4]。隨著水動力學和計算機仿真技術(shù)的發(fā)展,開發(fā)與應(yīng)用數(shù)值波浪水槽已經(jīng)成為國內(nèi)外重點研究的方向之一[5]。相對于物理模型而言,數(shù)值模擬具有重復(fù)性好、條件易于控制、更加自由、靈活等優(yōu)點,且打破了時間和空間的壁壘,使實驗更加高效快捷,也大大節(jié)約了實驗成本,是未來實驗發(fā)展的重要趨勢[6]。

同濟大學水利港口綜合實驗室擁有一臺波浪水槽,每年承擔95%以上的專業(yè)教學和開放設(shè)計實驗任務(wù),實驗需求量大,設(shè)備使用效率高。建設(shè)數(shù)值水槽有利于緩解實驗壓力,深化教學內(nèi)涵,對水利實驗教學的升級和創(chuàng)新卓越人才的培養(yǎng)具有深遠的意義。

1 數(shù)值波浪水槽的建設(shè)

1.1 數(shù)值波浪水槽建設(shè)的總體思路

數(shù)值波浪水槽的建設(shè)旨在通過專業(yè)教學理念與先進的計算技術(shù)結(jié)合,提升實驗教學水平,促進實驗教學的改革優(yōu)化。因此,數(shù)值水槽的建設(shè)應(yīng)以輔助實驗教學為目的,以學生為中心[7],為學生提供多元的實驗教學平臺,提高實驗效率和教學效果。我校水利港口綜合實驗室目前開設(shè)11門教學實驗,綜合來看,對波浪的研究是各實驗共同的基礎(chǔ)和要點所在,而物理模擬實驗由于時間和空間的局限,學生無法充分對波浪運動特性進行探究,數(shù)值波浪水槽將彌補物理模擬實驗的缺點,為學生提供更加多元的實驗視角和更全面的數(shù)據(jù)資料。

1.2 數(shù)值波浪水槽的建設(shè)

采用丹麥水環(huán)境研究所開發(fā)的MIKE21軟件中[8-9]BW模型進行建模計算。BW模型主要用于近岸波浪傳播變形的模擬計算,對波浪淺水變形、建筑物的發(fā)射、繞射及海底地形的折射等計算效果良好。該模型建立在二維求解的Boussinesq類方程的基礎(chǔ)上,并在此基礎(chǔ)上將Boussinesq方程[10]進行改進。

建設(shè)的數(shù)值波浪水槽的尺寸為50 m×0.8 m(長×寬)與實際水槽相同,岸坡高度為1 m。波浪入射方向設(shè)定為上側(cè),為減小反射波的影響,并使水槽內(nèi)的波能保持穩(wěn)定,分別在波浪入射前部和水槽末端水域設(shè)置了海綿層。整個水槽采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的網(wǎng)格剖分,并針對不同的波況建立了多套網(wǎng)格體系。水槽網(wǎng)格圖見圖1。

圖2為物理水槽功能與數(shù)值水槽造波能力包絡(luò)圖，可見數(shù)值波浪水槽同樣可進行規(guī)則波和不規(guī)則波的模擬，數(shù)值水槽完全可達到物理水槽的造波能力。通過對規(guī)則波和不規(guī)則波的模擬,得到的波面高度場(見圖3)能直觀地反映波浪的運動分布和浪高大小。在模擬基本波浪運動的基礎(chǔ)上,針對各個教學實驗的不同模型,進一步模擬了斜墻式建筑物、防波堤和二丁壩等模型對波浪的影響(分別見圖4、圖5和圖6),得出波面高度的變化數(shù)據(jù)及分布云圖；而在物理水槽中只能采取點式測量,很難得到如此全面的浪高變化數(shù)據(jù),可見,數(shù)值水槽的建設(shè)對港航專業(yè)教學實驗室是十分必要且有重要意義的。

圖1 水槽網(wǎng)格圖

圖2 物理水槽與數(shù)值水槽造波能力包絡(luò)圖

2 數(shù)值波浪水槽的應(yīng)用成效

數(shù)值波浪水槽投入教學應(yīng)用以來成效顯著,與物理水槽形成了優(yōu)勢互補,在教學模式、教學方法和教學內(nèi)涵等方面均發(fā)揮了重要的作用。

2.1 數(shù)值波浪水槽模擬教學實驗不受時間和空間限制,創(chuàng)新教學模式

數(shù)值波浪水槽系統(tǒng)能夠?qū)虒W實驗中的各種形態(tài)波浪進行模擬,其功能與物理水槽相同,方便學生課前預(yù)習,提高課堂實驗效率,也可在課后對實驗現(xiàn)象進一步的了解和學習,加深實驗理解,不受時間和空間的限制。同時,數(shù)值模擬的教學方式,也彌補了因受設(shè)備數(shù)量限制、導(dǎo)致很多學生無法親自操作實驗的不足,生動自主的操控界面也有利于調(diào)動學生自主學習熱情。

2.2 數(shù)值水槽實驗與物理水槽實驗做對比校正,提升實驗教學內(nèi)涵

目前在物理波浪模擬實驗中,由于受到水槽邊壁、搭接縫、模型、儀器等因素的干擾,致使實驗中獲得的現(xiàn)象往往與理論現(xiàn)象存在一定偏差。數(shù)值波浪水槽具有無觸點流場測量、減小比尺效應(yīng)、消除傳感器尺寸及模型變形等因素對流場影響等優(yōu)點[11-12]。在數(shù)值水槽模擬實驗和物理水槽模擬實驗的對比驗證過程中,不僅有助于學生對實驗全面的理解和掌握,還可以充分鍛煉學生分析問題和解決問題的能力。數(shù)值水槽模擬實驗和物理水槽模擬實驗的互補,增加了實驗研究的可靠度,更提升了實驗教學內(nèi)涵。

圖3 規(guī)則波和不規(guī)則波的波面高度場

圖4 斜墻式模型波面高度場圖5 防波堤波面高度場圖6 二丁壩模型波面高度場

2.3 引導(dǎo)式的實驗教學體系,激發(fā)學生的創(chuàng)新能力

以往的大學生創(chuàng)新實驗中,常出現(xiàn)實驗構(gòu)想與實驗現(xiàn)象相去甚遠的情況,這種情況多是由于學生不了解實驗環(huán)境、沒有實踐經(jīng)驗而產(chǎn)生。數(shù)值波浪水槽可讓學生參與完整的實驗過程,引發(fā)學生對實驗的自主思考,進而催化其創(chuàng)新思維的形成。此外,數(shù)值波浪水槽也為有創(chuàng)新想法的學生提供了實驗平臺,學生可隨時驗證構(gòu)想的可行性。

3 結(jié)語

數(shù)值模擬實驗與物理模型實驗相結(jié)合的教學方式是未來港航專業(yè)實驗教學發(fā)展的必然趨勢[13],同濟水利港口綜合實驗室運用數(shù)值水槽與物理水槽的教學互補,創(chuàng)新了教學模式，提升了實驗教學內(nèi)涵，優(yōu)化了實驗教學體系。多元的課堂和課后實驗環(huán)境,生動的數(shù)值模擬實驗和物理模型實驗對比互動,以及開放模擬實驗平臺,充分調(diào)動了學生自主學習的熱情,鍛煉了學

生探索和解決問題,推動了創(chuàng)新思維的落地生根。數(shù)值波浪水槽的應(yīng)用雖已得到良好反饋并起到了積極的教學效果,但仍需不斷對模型進行完善,以適應(yīng)更多實驗要求,得到更精準的實驗結(jié)果。

References)

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