自主研發(fā)數(shù)值波浪水槽及其在海洋工程與技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

摘 ?要：針對(duì)物理模型實(shí)驗(yàn)成本高且存在比尺限制等問題，采用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)（SPH）方法自主研發(fā)數(shù)值波浪水槽，并與物理波浪水槽相結(jié)合應(yīng)用于海洋工程與技術(shù)專業(yè)的波浪實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)。教學(xué)改革和實(shí)踐表明，數(shù)值與物理波浪水槽相輔相成，可為學(xué)生提供靈活機(jī)動(dòng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，基于數(shù)值波浪水槽的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可充分調(diào)動(dòng)學(xué)生積極探索的熱情和主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣，為培養(yǎng)海洋工程與技術(shù)專業(yè)的領(lǐng)軍人才奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：數(shù)值波浪水槽;虛擬仿真;教學(xué)改革

中圖分類號(hào)：G642 ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-000X（2021）34-0104-04

Abstract： Combined with the physical wave tank， the numerical wave tank is applied to the wave experiment teaching of marine engineering and technology major by using the smooth particle hydrodynamics（SPH） method due to the high cost and scale limitation of physical model. The teaching reform and practice show that the complementation of numerical and physical wave tank can provide flexible innovative experimental platform for undergraduate students. Virtual simulation experiment based on numerical wave tank can fully mobilize students' enthusiasm for active exploration and interest in active learning， and lay a solid foundation for training leading personnel in Marine Engineering and Technology.

Keywords： numerical wave tank; virtual simulation; teaching reform

波浪的形成變化及傳播規(guī)律是研究海岸地貌演變、港口及航道工程及海岸帶資源利用與保護(hù)的基礎(chǔ)，是土木、水利及海洋工程專業(yè)學(xué)生需牢固掌握的基本內(nèi)容[1]。目前研究波浪傳播變化規(guī)律的主要方法包括物理模型試驗(yàn)法、現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)法、理論分析法及數(shù)值模擬計(jì)算法。其中，物理模型試驗(yàn)法通常采用實(shí)驗(yàn)波浪水槽研究波浪傳播運(yùn)動(dòng)，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于物理概念清晰、直觀形象，但由于波浪水槽造價(jià)成本高，且受到物理模型與實(shí)際原型的比尺限制，在實(shí)際應(yīng)用和推廣實(shí)踐中存在一定不足。隨著計(jì)算流體力學(xué)和數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展，自主研發(fā)數(shù)值波浪水槽已成為彌補(bǔ)物理模型試驗(yàn)不足的重要研究方向。與物理模型試驗(yàn)相比，數(shù)值仿真具有可重復(fù)性、邊界條件易于控制、計(jì)算速度快、軟件通用性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠顯著提高實(shí)驗(yàn)波浪水槽的教學(xué)實(shí)踐效果。因此，數(shù)值仿真技術(shù)與物理波浪水槽實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，是未來實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要發(fā)展方向。

中山大學(xué)海洋工程與技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心擁有一臺(tái)高精度多功能實(shí)驗(yàn)波浪水槽（如圖1（a）所示），每年承擔(dān)大量的專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目的實(shí)驗(yàn)任務(wù)，教學(xué)實(shí)驗(yàn)需求量大，水槽設(shè)備使用效率高。自主研發(fā)數(shù)值波浪水槽虛擬仿真技術(shù)（如圖1（b）所示）可有效緩解教學(xué)實(shí)驗(yàn)壓力，提高教學(xué)效率，對(duì)海洋工程與技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的升級(jí)及海洋工程領(lǐng)軍人才的培養(yǎng)具有重要意義。

一、數(shù)值波浪水槽虛擬仿真技術(shù)的自主研發(fā)

（一）數(shù)值波浪水槽建設(shè)總體方案

先進(jìn)的數(shù)值仿真技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合的思路，是培養(yǎng)學(xué)生提升本專業(yè)學(xué)習(xí)興趣，充分利用現(xiàn)有教學(xué)資源，推進(jìn)實(shí)踐與理論相結(jié)合的創(chuàng)新教學(xué)模式[2]。數(shù)值波浪水槽作為近年來廣泛應(yīng)用于海洋工程與技術(shù)專業(yè)的新型實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，為學(xué)生提供靈活機(jī)動(dòng)的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，提升專業(yè)實(shí)驗(yàn)課的教學(xué)質(zhì)量。中山大學(xué)海洋工程與技術(shù)學(xué)院目前開設(shè)海岸動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)、海洋沉積學(xué)實(shí)驗(yàn)、泥沙運(yùn)動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)等數(shù)門教學(xué)實(shí)驗(yàn)課，對(duì)波浪的數(shù)值仿真是研究波浪運(yùn)動(dòng)對(duì)河口海岸地帶“動(dòng)力-沉積-地貌”格局演變的有效切入點(diǎn)。由于傳統(tǒng)的物理模型實(shí)驗(yàn)成本高，且其比尺受到限制[3]，因此易造成學(xué)生對(duì)波浪運(yùn)動(dòng)過程的特征及規(guī)律認(rèn)識(shí)深度不足。針對(duì)此技術(shù)難題，中山大學(xué)海洋工程與技術(shù)學(xué)院教學(xué)團(tuán)隊(duì)采用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)（SPH）方法自主研發(fā)數(shù)值波浪水槽，并與物理波浪水槽相結(jié)合，克服其缺點(diǎn)，完善數(shù)值波浪水槽的虛擬仿真功能，并應(yīng)用于海洋工程與技術(shù)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

（二）數(shù)值波浪水槽虛擬仿真技術(shù)研發(fā)

數(shù)值波浪水槽虛擬仿真技術(shù)采用光滑粒子流體動(dòng)力學(xué)（Smoothed Particle Hydrodynamics，SPH）方法進(jìn)行建模計(jì)算，該方法相對(duì)于傳統(tǒng)的基于網(wǎng)格的數(shù)值方法，由于其不需要依賴網(wǎng)格來輔助計(jì)算，因此能避免因網(wǎng)格存在而導(dǎo)致的計(jì)算困難。在實(shí)驗(yàn)水槽中模擬波浪、水流，研究波浪和水流對(duì)水體中船體、港口工程和海洋工程建筑物的作用，可為工程設(shè)計(jì)和科學(xué)研究等提供重要技術(shù)支撐[4-5]。采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的單向不規(guī)則造波機(jī)，在室內(nèi)高質(zhì)量地模擬三維波浪，廣泛應(yīng)用于波浪的傳播變化研究、波浪與海岸工程結(jié)構(gòu)物的作用研究、船舶在波浪作用下的運(yùn)動(dòng)研究、海洋油氣平臺(tái)開發(fā)研究、波浪與水流的相互作用研究、臺(tái)風(fēng)波浪的模擬以及考慮波浪影響的海上工程防災(zāi)減災(zāi)研究等[6-9]。

自主研發(fā)的數(shù)值波浪水槽可進(jìn)行規(guī)則波（如正弦波、橢圓余弦波、二階波等，如圖2所示）和不規(guī)則波（規(guī)范譜、JONSWAP譜、PM譜、BM譜、ITTC譜、ISSC譜等，如圖3所示）的運(yùn)動(dòng)模擬，完全可以達(dá)到物理水槽的造波能力。自主研制的數(shù)值波浪水槽采用人性化設(shè)計(jì)理念，克服物理模型的局限性，能夠方便快捷地測(cè)量波浪要素，功能全面，系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性強(qiáng)。在對(duì)波浪傳播過程的模擬上，針對(duì)不同邊界條件、水質(zhì)點(diǎn)個(gè)數(shù)，對(duì)各種條件下的波浪運(yùn)動(dòng)進(jìn)行虛擬仿真，繪制水質(zhì)點(diǎn)的流場(chǎng)和壓力場(chǎng)分布圖，直觀地了解波浪要素的變化，對(duì)海洋工程與技術(shù)等相關(guān)專業(yè)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果提供重要技術(shù)支撐。

二、數(shù)值波浪水槽虛擬仿真技術(shù)的教學(xué)實(shí)踐

數(shù)值波浪水槽虛擬仿真技術(shù)投入教學(xué)實(shí)踐以來收效顯著，與物理波浪水槽形成優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在改進(jìn)教學(xué)模式、豐富教學(xué)內(nèi)涵、完善教學(xué)體系等方面均發(fā)揮重要支撐作用。

（一）采用數(shù)值波浪水槽虛擬仿真技術(shù)，改進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式

數(shù)值波浪水槽與物理波浪水槽功能一致，能按需求輸入與物理水槽相同的波浪特征參數(shù)和邊界條件，對(duì)教學(xué)實(shí)驗(yàn)中的不同形態(tài)波浪進(jìn)行模擬驗(yàn)證以及敏感性試驗(yàn)。與物理波浪水槽不同，數(shù)值波浪水槽不受時(shí)間和空間限制，既方便學(xué)生進(jìn)行課前自主預(yù)習(xí)，提高課堂實(shí)驗(yàn)教學(xué)效率，又方便學(xué)生在課后對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)一步深入了解和反復(fù)學(xué)習(xí)，加深對(duì)實(shí)驗(yàn)原理和結(jié)論的認(rèn)知理解[10]。同時(shí)，數(shù)值波浪水槽虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用，大幅降低物理模型運(yùn)作的耗材和維護(hù)成本，克服學(xué)生受設(shè)備數(shù)量限制而無法親自操作實(shí)驗(yàn)的困擾，生動(dòng)自主的虛擬仿真操控界面也有利于調(diào)動(dòng)學(xué)生對(duì)波浪實(shí)驗(yàn)的自主學(xué)習(xí)熱情，可以鍛煉學(xué)生，有效改進(jìn)傳統(tǒng)單一的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式。

（二）結(jié)合數(shù)值波浪水槽和物理波浪水槽對(duì)比驗(yàn)證，豐富實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)涵

在多數(shù)物理波浪水槽模擬實(shí)驗(yàn)中，由于受到儀器（造波機(jī)和消波器）、拖動(dòng)系統(tǒng)、水槽邊壁、搭接縫、模型等因素的干擾，導(dǎo)致物理波浪水槽結(jié)果與理論分析結(jié)果對(duì)比會(huì)出現(xiàn)一定偏差。數(shù)值波浪水槽和物理波浪水槽實(shí)驗(yàn)的互補(bǔ)驗(yàn)證，增加實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度與嚴(yán)謹(jǐn)度。同時(shí)，數(shù)值波浪水槽模擬和物理波浪水槽模擬實(shí)驗(yàn)的對(duì)比驗(yàn)證過程是理論與實(shí)踐的有機(jī)結(jié)合，既有助于提升學(xué)生數(shù)值模型構(gòu)建能力，亦有助于充分鍛煉學(xué)生物理模型的搭建能力，顯著提升學(xué)生運(yùn)用多種實(shí)驗(yàn)方法探究科學(xué)問題的能力，培養(yǎng)學(xué)生全方位的科研綜合能力，以此豐富本實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)涵。

（三）“學(xué)生自主創(chuàng)新，教師引導(dǎo)為輔”，完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系

基于自主研發(fā)數(shù)值波浪水槽虛擬仿真技術(shù)，可進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)教學(xué)體系，學(xué)生可基于虛擬仿真技術(shù)獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、實(shí)驗(yàn)開展、實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄、實(shí)驗(yàn)報(bào)告撰寫，教師的作用以引導(dǎo)為輔，除課堂教學(xué)外，課外教師可借助系統(tǒng)對(duì)學(xué)生的提問給予解答，對(duì)報(bào)告進(jìn)行批改，以形成及時(shí)的師生反饋。以往的本科專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，由于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)環(huán)境了解不足、缺乏實(shí)踐動(dòng)手經(jīng)驗(yàn)，常出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)構(gòu)想與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象偏差較大的情況。數(shù)值波浪水槽在降低成本的前提下，讓學(xué)生參與完整的實(shí)驗(yàn)過程，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上的自主思考。此外，數(shù)值波浪水槽虛擬仿真技術(shù)也為挖掘?qū)W生的創(chuàng)新能力和綜合素養(yǎng)提供創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，學(xué)生可隨時(shí)設(shè)計(jì)不同波浪要素影響因子下的波浪場(chǎng)工況，驗(yàn)證新構(gòu)想的可行性，進(jìn)而催生其創(chuàng)新思維的萌芽[11]。此虛擬仿真技術(shù)具有設(shè)備原理直觀、操控方便、安全性高、可視化程度高、實(shí)驗(yàn)誤差小、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，可推廣到其他海洋工程、近岸港口航道院校及相關(guān)科研單位。

三、結(jié)束語

隨著計(jì)算機(jī)數(shù)值仿真技術(shù)的高速發(fā)展，數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)與物理模型試驗(yàn)相結(jié)合的教學(xué)方式是未來海洋工程與技術(shù)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的必然要求和發(fā)展趨勢(shì)[2]。中山大學(xué)海洋工程與技術(shù)學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心采用數(shù)值波浪水槽與物理波浪水槽相結(jié)合的創(chuàng)新教學(xué)模式，充分調(diào)動(dòng)學(xué)生獨(dú)立探索、自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新實(shí)踐的熱情，在改進(jìn)教學(xué)模式、豐富教學(xué)內(nèi)涵、完善教學(xué)體系等方面均達(dá)到良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。

參考文獻(xiàn)：

[1]沈超，劉曙光，付小莉，等.基于數(shù)值波浪水槽的港航專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革與實(shí)踐[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2018，35（2）：59-61+66.

[2]柳洪潔，宋月鵬，馬蘭婷，等.國(guó)內(nèi)外虛擬仿真教學(xué)的發(fā)展現(xiàn)狀[J].教育教學(xué)論壇，2020（17）：124-126.

[3]李杰.基于推板造波方法的數(shù)值波浪水槽性能研究[J].四川建筑，2019，39（1）：143-146.

[4]Sun P， Luo M， Le Touzé D， et al. The suction effect during freak wave slamming on a fixed platform deck： Smoothed particle hydrodynamics simulation and experimental study[J]. Physics of Fluids， 2019，31（11）：117108.

[5]Cao X Y， Tao L， Zhang A M， et al. Smoothed particle hydrodynamics （SPH） model for coupled analysis of a damaged ship with internal sloshing in beam seas[J]. Physics of Fluids， 2019，31（3）：032103.

[6]蘇紹娟，王有志，王天霖，等.數(shù)值波浪水槽波浪傳遞性能研究[J].艦船科學(xué)技術(shù)，2020，42（9）：61-65.

[7]張奕澤，黃偉斌，曹如意.高防護(hù)等級(jí)海堤越浪的數(shù)值模擬[J].水道港口，2020，41（1）：58-64.

[8]Gholamipoor M， Ghiasi M. A meshless numerical wave tank for simulation of fully nonlinear wave-wave and wave-current interactions[J]. Journal of Engineering Mathematics， 2019，119（1）：115-133.

[9]Shivaji Ganesan T， Sen D. Prediction of non-linear wave loads on large floating structures using a 3D numerical wave tank approach[J]. Marine Systems & Ocean Technology， 2019，14（4）：129-152.

[10]鄧紹云.數(shù)值造波技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望[J].水利科技與經(jīng)濟(jì)，2015，21（4）：5-7.

[11]付小莉，張斌，李衛(wèi)超，等.SPH技術(shù)在波浪運(yùn)動(dòng)特性虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)技術(shù)與管理，2021，38（5）：140-144.