一种基于异质结结构的水波聚能装置的制作方法

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本发明涉及水波能源应用技术领域，特别涉及应用于海上的一种基于异质结结构的水波聚能装置。


背景技术：

[0002]
随着科技的发展与进步，人类对资源的需求量日益增长，而海洋资源作为一种可再生能源，近年来正逐渐成为科研人员关注的焦点。我国作为世界上的海洋大国之一，拥有广阔的海域和总量客观的海洋资源，运用科学的方式合理的开发和利用海洋资源对我国国民经济能够长久的可持续发展起着至关重要的作用。
[0003]
异质结是由具有不同带隙结构的复合半导体材料组成，随着研究的深入，异质结已经发展成为可由任意具有不同能量或频率带隙的结构或材料组成。在异质结的每个层面或者每个区域间，可以形成能够使能量局域化的界面态，这种现象也就是固体物理中所称的塔姆态。值得注意的是，当两种具有不同带隙的周期结构连接时，会在连接处形成异质结，从而能够在带隙中产生额外的通带，在周期结构中处于通带频率的导波会逐渐在异质结附近形成界面态，使波在该处振动幅值达到最大。
[0004]
lin和li于2001年在physical reviews b 上发表论文（interface states in photonic crystal heterostructures），研究了基于光子晶体异质结中的界面态，发现通过增加界面空间，产生了横向晶格滑动，实现了对界面态的控制。
[0005]
xiao等人在2015年于nature physics上发表（geometric phase and band inversion in periodic acoustic systems ），在声子晶体中研究了能带反演和结构的几何相位关系。
[0006]
fan等人于2017年在声波导中讨论了bragg禁带和高阶横向共振模式的non-bragg禁带中单一模式局域化形成的界面态，并发表了论文（single-mode interface states in heterostructure waveguides with bragg and non-bragg gaps）。
[0007]
由于异质结所具有的界面态问题吸引了很多研究人员在不同领域内的探索如光子晶体和声子晶体，并进行了大量的结构设计和一系列的应用研究。在异质结处形成的界面态能够使得波的能量局域化，并且可以根据结构参数的设计让某些需要的频率通过具有禁带的结构。低频水波具有和声波以及光波相似的波动特性，故可以将该机理和结构应用于调控水波。传统的水波能量收集装置利用地势的高低差以及特殊的地形以实现利用水波能源，这不仅对水波能量收集装置放置位置的选择有了较为苛刻的要求，而且还会影响水波的传播以及工作效率，特别的对于造成下游水流的截流和断流问题就凸显了出来。


技术实现要素：

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本发明的目的在于提供一种对水流传播干扰小，适应性强且聚波能力好的水波聚能通道。
[0009]
实现本发明目的的技术方案是：
一种基于异质结结构的水波聚能装置，包括一对间隔设置的平行板，两平行板间的空腔分为通道1和通道2，通道1两侧的平行板上设有对称式周期性间隔排列的第一凸起结构，通道2两侧的平行板上设有对称式周期性间隔排列的第二凸起结构，相邻的第一凸起结构和第二凸起结构间隔一定距离形成异质结结构，当水波入射通道时，水波逐渐在两通道连接处的异质结结构处形成界面态，从而将整个通道中的水波能量汇聚在异质结处，且共振幅值达到最大值，从而实现水波能量汇聚。
[0010]
所述的第一凸起结构和第二凸起结构为矩形状凸起，通道1 内的第一凸起结构的周期长度和通道2内的第二凸起结构的周期长度λ相等，周期长度λ等于每个通道内的凸起结构长度与凸起结构间的距离之和，通道1的空占比值与通道2的空占比值不相等，通道1和通道2的空占比值0<x<1，其中空占比值是指凸起结构长度与周期长度λ的比值。
[0011]
所述的第一凸起结构和第二凸起结构的凸起结构长度和厚度由共振特性决定，其中共振特性中的透射谱中心频率f与凸起结构的周期长度、平行板的长度l有关，其中g为重力加速度，f为透射谱的中心频率，p为第p阶横向模式，为第p阶贝塞尔函数的零点，p取值为0，1，2，3...；l为通道平均宽度，λ是平行板凸起结构的周期长度，β为传播常数，n为bragg共振阶数，n为整数；通道1和通道2的参数由共振条件给出，即p=1，所述的第一凸起结构和第二凸起结构，凸起的厚度b与通道宽度l的比值为0.05-0.3。
[0012]
所述的平行板和平行板内的凸起结构采用刚性材料一体成型制成，例如采用混泥土一体成型。
[0013]
所述的异质结的长度d为凸起结构周期长度λ的五分之一，即相邻的第一凸起结构与第二凸起结构的间距d为凸起结构周期长度λ的五分之一。
[0014]
本发明提供的一种基于异质结结构的水波聚能装置，该装置具有如下优点：1、结构简单，易实现；2、适应性强，聚波能力好；3、水波在该装置的通道中传播不会受到影响；4、装置中两种通道内两侧侧壁凸起尺寸可根据海面波浪情况进行调节；5.在其他工程领域还有很多潜在应用，如光学或声学滤波器，舰艇隐身材料等。
附图说明
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图1为一种基于异质结结构的水波聚能装置的轴测图；图2为一种基于异质结结构的水波聚能装置的主视图；图3为一种基于异质结结构的水波聚能装置的俯视图；图4为图2和图3中a部的放大图；图5为采用一种基于异质结结构的水波聚能装置进行仿真的结果示意图；图中：1.平行板
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2.第一凸起结构
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3.第二凸起结构。
具体实施方式
[0016]
下面结合附图和实施例对本发明内容做进一步阐述，但不对本发明的限定。
[0017]
实施例：如图1、图2、图3和图4所示：一种基于异质结结构的水波聚能装置，包括一对间隔设置的平行板1，两平行板2的下端竖直固定在海滩周边的海平面下，两平行板1间的空腔分为通道1和通道2，通道1两侧的平行板1上设有对称式周期性间隔排列的第一凸起结构2，通道2两侧的平行板1上设有对称式周期性间隔排列的第二凸起结构3，第一凸起结构2和第二凸起结构3为矩形状凸起，通道1 内的第一凸起结构2的周期长度λ和通道2内的第二凸起结构3的周期长度λ相等，周期长度λ等于每个通道内的凸起结构长度与凸起结构间的距离之和，通道1的空占比值与通道2的空占比值不相等，通道1和通道2的空占比值0<x<1，其中空占比值是指凸起结构长度与周期长度λ的比值。
[0018]
相邻的第一凸起结构2和第二凸起结构3间隔一定距离形成异质结结构，异质结的长度为d，为凸起结构周期长度λ的五分之一，即相邻的第一凸起结构2与第二凸起结构3的间距d为凸起结构周期长度λ的五分之一；当水波或海浪从通道1入射时，水波传输至在两通道连接处的异质结结构处形成界面态，从而将整个通道中的水波能量汇聚在异质结处，且共振幅值达到最大值，从而实现水波能量汇聚。
[0019]
本实施例中：通道1设有为5个周期的第一凸起结构2，每个周期长度λ为150cm，第一凸起结构2的厚度b为12cm，第一凸起结构2的长度m1为60cm；通道2设有为5个周期的第二凸起结构3，每个周期长度λ为150cm，第二凸起结构3的厚度b为12cm，第二凸起结构3的长度m2为90cm；那么异质结的长度d为30cm。
[0020]
那么，通道1占空比为0.4，通道2占空比为0.6。
[0021]
平行板和平行板内的第一、第二凸起结构采用刚性材料一体成型制成，例如采用混泥土一体成型。
[0022]
所述的第一凸起结构2和第二凸起结构3的凸起结构长度m和厚度b由共振特性决定，其中共振特性中的透射谱中心频率f与凸起结构的周期长度、平行板的长度l有关，其中g为重力加速度，f为透射谱的中心频率，p为第p阶横向模式，为第p阶贝塞尔函数的零点，p取值为0,1,2,3...，l为通道平均宽度，λ是平行板凸起结构的周期长度，β为传播常数，n为bragg共振阶数，n为整数；通道1和通道2的参数由共振条件给出，即p=1，周期长度λ和中心频率f有关。
[0023]
所述的第一凸起结构和第二凸起结构，凸起的厚度与通道宽度的比值为0.05-0.3。
[0024]
采用上述的实施例的对本装置进行仿真，如图5所示为上述具体尺寸结构的数值仿真结果，横轴为通道1和通道2连接时的纵向位置，纵轴表示归一化水波振动幅值，水波从
左端入射，经过通道1和通道2，从右端出射，两条竖直虚线代表通道1和同道2连接处的异质结结构，可以看出，当我们设置异质结结构长度d为通道侧壁凸起结构周期长度的五分之一时,在异质结结构附近水波振动幅值达到最大值，水波从聚能装置左侧入射时，逐渐汇聚在异质结结构附近，汇聚的最大振动幅值为入射端幅值的2到3倍。