本发明是一种实验室水动力模拟技术，属于流体动力学试验领域。涉及一种二维水槽中风暴潮、波浪动态耦合模拟方法。本发明还涉及这种二维水槽中风暴潮、波浪动态耦合模拟方法所使用的设备。
背景技术
目前，实验室中对波浪和水位组合的传统模拟方法为固定水位叠加波浪，一般取极端高水位、设计高水位、设计低水位、极端低水位4个水位进行模拟，与实际的连续水位变化过程差异较大，不能准确地模拟出真实的水动力条件和波浪条件。
固定水位叠加波浪模拟方法存在的主要问题是：1、水位一般选取极端高水位、设计高水位、设计低水位、极端低水位4个水位，往往不能包含对实际工程最不利的水位，存在安全隐患；2、有经验的科研工作者常采用部分加密水位的方法补充部分固定水位进行试验，但同样不能保证一定包含对实际工程最不利的水位，且费时费力；3、高水位的作用时间在实际风暴潮过程中往往较短，固定水位的试验方法用于高水位时偏于保守，提高了工程造价。4、水位模拟过程与实际不符，难以反映风暴潮作用时海堤真实的破坏过程。
国内外关于风暴潮、波浪耦合作用对海堤作用过程的模拟研究较欠缺，国外最新试验中采用的风暴潮水位过程线也是呈阶梯型而不是连续变化的，与实际风暴潮作用过程仍有所不同。2017年，荷兰三角洲研究院的vangent在实验室二维水槽中对风暴潮变水位与波浪进行耦合，探究耦合情况下海堤的侵蚀破坏机理，并与之前固定水位叠加波浪的试验结果进行对比。试验结果表明，变水位情况下海堤受冲刷影响范围更大，冲刷坑剖面相对更宽，比定水位结果大50%左右，但冲刷坑深度相较定水位结果则减小了10%~50%。由此可看出风暴潮水位变化对海堤的破坏以及冲刷淤积作用都起着重要的作用，实验现象与固定水位作用时明显不同。
存在的问题：试验中采用的风暴潮水位过程线呈阶梯型而不是连续变化的，水位每1.5或3小时变化一次，每次变化0.1m，这与实际风暴潮、波浪对海堤的作用过程明显不同。因此，研发一种风暴潮与波浪的动态耦合模拟技术是十分必要的。
现有试验方法中，无论是采用传统的固定水位，还是阶梯型水位，都与实际风暴潮的连续水位变化过程有所不同，不能准确地模拟出风暴潮、波浪对海岸建筑物的作用过程，试验结果的合理性及适用性存在局限性。
参考文献：
vangentmra,woltersg,vanderwerfi.rockslopeswithopenfiltersunderwaveloading:effectsofstormdurationandwaterlevelvariations[c]//proceedingsof35thconferenceoncoastalengineering,2016。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种二维水槽中风暴潮、波浪动态耦合模拟方法，该方法通过模拟连续的风暴潮、波浪变化过程，实现风暴潮、波浪的动态耦合模拟，形成风暴潮、波浪耦合作用下海堤响应过程与致灾过程的实验室模拟仿真技术，可以准确地模拟出风暴潮和波浪的同步逐时变化，填补该领域的空白，为其他研究提供基础。本发明还将提供这种二维水槽中风暴潮、波浪动态耦合模拟方法所使用的设备。
完成上述发明任务的技术方案是，一种二维水槽中风暴潮、波浪动态耦合模拟方法，其特征在于，步骤如下：
⑴.首先应搜集工程区相关资料，必要时进行数学模型计算，得到模拟工程区的风暴潮潮位和波浪（有效波高hs、平均周期tm、谱峰周期tp）的历时曲线。
由于风暴潮过程持续时间往往较长，有时可达100小时以上，无需模拟其变化的全过程，因此应根据研究目的选定模拟区域，一般取对工程设计影响较大的时间段（潮位较高、波高较大、周期较长）进行模拟。
⑵.选定模拟区域后，将所需模拟的风暴潮连续水位变化过程输入计算机，生潮系统运转过程中实时采集第二水位测量仪处的水位读数，并与给定目标值进行比较，得到一个差值△h，通过d/a转换及可控调速器驱动直流伺服电机带动减速机构调节尾门开启度控制水位变化，使偏差△h值趋近于零，从而产生给定的水位变化过程，复演风暴潮潮位变化现象；
⑶.监测第一、第二水位测量仪处的水位变化吻合度及同步性；
⑷.通过将第二水位测量仪实时采集的潮位过程模拟结果与输入的风暴潮连续水位变化过程进行对比分析，得到模拟结果与实际水位变化过程的偏差，对模拟精度进行判断；风暴潮潮位过程模拟平均误差需控制在±2mm以内（模型值）；
⑸.模拟波浪过程时，需针对选定区域，将风暴潮和波浪过程进行离散化处理。在每一时间间隔△t内，水位及波浪条件基本不变，故在每一时间间隔△t对应的水位上率定相应的波浪要素（波高、周期），并将所率定的波浪造波文件进行无缝拼接，得到全时段内随水位连续变化的造波文件；
⑹.率定过程中，通过波高仪实时采集波浪波高及周期模拟结果，并与目标值进行对比；波高和周期的实测值与目标值的平均误差均需控制在±5%以内；
⑺.试验时采用生潮系统控制不同时刻的风暴潮潮位，同时利用随水位连续变化的造波文件不间断造波，从而实现潮位和波浪的同步变化，在实验室中实现风暴潮、波浪的耦合模拟；
⑻.在耦合模拟过程中需进行潮位的实时监测，并在水位测量仪实时采集潮位的过程中采用多点平均法对采集数据进行实时修正。
与传统潮位监测不同的是，本方法在潮位监测过程中需要去除波浪对水位测量仪的影响，因此需在水槽尾部设置消浪格栅（详见第五部分）消减波浪能量，并在水位测量仪实时采集潮位的过程中采用多点平均法对采集数据进行实时修正。
完成本申请第二项发明任务的技术方案是，上述二维水槽（波浪水槽）中风暴潮、波浪动态耦合模拟方法所使用的设备，二维水槽中依次设有：消浪斜坡，造波板，波高仪，水位测量仪，试验模型与消浪格栅，其特征在于，在二维水槽的末端设置有尾门，该尾门的驱动机构与计算机连接，通过计算机进行自动控制。
进一步优化，所述的水位测量仪设置两个，设置位置依次为：消浪斜坡，造波板，波高仪，第一水位测量仪，试验模型，消浪格栅，与第二水位测量仪。
即，本发明为了模拟风暴潮与波浪联合作用，首先需对原有试验水槽进行改造，波浪水槽末端增设尾门，通过计算机自动控制尾门高度调节水位变化，以模拟风暴潮期间的增减水情况。
试验过程中采用南京水利科学研究院自主研制的波浪与风暴潮耦合测控系统，该系统由工控计算机、485通讯设备、生潮设备、风暴潮控制仪、水位采集仪等设备组成。生潮设备包含尾门、电机、水位控制系统软件和水位跟踪仪。
本发明的优点是：
（1）模拟过程更加符合实际情况：
本发明相较传统的固定水位叠加波浪以及国外最新试验中采用的阶梯型风暴潮水位过程，采用连续的风暴潮水位变化过程并与波浪过程叠加，实现了潮位和波浪的同步变化，可较准确地模拟出符合实际情况的真实的水动力条件和波浪条件，反映风暴潮作用时海堤真实的动态破坏过程，为其他研究提供基础。
（2）试验结果趋于安全：
本发明采用连续的水位变化过程，包含了对实际工程最不利的水位，试验结果趋于安全。尤其是用于验证潜堤、防波堤护底抛石等部位的稳定性时，试验结果更加合理，消除了安全隐患。
（3）试验结果趋于合理：
本发明采用的连续水位变化过程，极端高水位持续时间较短，与风暴潮作用时的真实情况更为接近。相较传统的固定水位叠加波浪的试验方法，防波堤堤顶防浪墙及后坡等结构受波浪作用时间明显缩短，因此可有效降低防波堤堤顶防浪墙及后坡等结构的工程造价，在满足设计标准的前提下减低成本。
附图说明
图1为试验波浪水槽示意图；
图2为9711台风期间工程区域水位变化情况曲线图；
图3为9711台风期间工程区域有效波高变化情况曲线图；
图4为9711台风期间工程区域谱峰周期变化情况曲线图；
图5-1、图5-2为试验风暴潮潮位和波浪过程离散示意图；
图6为单独潮位过程模拟结果与实际过程对比图；
图7为波浪+潮位变化实验室模拟过程线图；
图8为本发明模拟过程流程图。
具体实施方式
实施例1：二维水槽中风暴潮、波浪动态耦合模拟方法，本实施例以宁波北仑梅山国际水上运动中心海堤工程为例，模拟9711台风期间，工程区域的水位、波高及周期变化情况，黑色框选范围为本实施例选取的模拟时间段。
模拟波浪过程时，将风暴潮潮位和波浪过程进行离散化处理。按每一时间间隔△t为20分钟分段，在每一时间间隔△t对应的水位上率定相应的波浪要素，并将所率定的波浪造波文件进行无缝拼接，得到全时段约540分钟内随水位连续变化的造波文件。
本发明实施需在南京水利科学研究院铁心桥试验基地长波浪水槽中进行，该水槽可同时产生波浪、水流和风。水槽长175m、宽1.2m、深1.8m。水槽的工作段沿宽度方向分割成0.6m和0.6m两部分，其中一部分用来安放模型断面和进行模型试验，另一部分用于扩散造波板的二次反射波。水槽的一端配有消浪缓坡，另一端配有南京水利科学研究院生产的推板式不规则波造波机，由计算机自动控制产生所要求模拟的波浪要素。该造波系统可根据需要产生规则波和不同谱型的不规则波。
利用上述模拟技术，对9711台风期间，工程区域风暴潮、波浪过程进行了动态耦合模拟。通过潮位过程模拟结果与实际过程的对比可以看出，本模拟技术所建立的生潮设备可以很好的模拟所需要的潮位变化过程，风暴潮过程耦合模拟平均误差可控制在±2mm以内（模型值）。
试验过程中不同时刻实测波高与目标波高的误差大部分在±5%以内。因此，采用分段标定再将所造波信号拼接的方式是有效的，所得潮位、波浪耦合结果满足相关规范（《波浪模型试验规程》jtj/t234-2001；《港口及航道水文规范》jts145-2015）的要求。
参照图1，图中，消浪斜坡1，造波板2，波高仪3，第一水位测量仪4，试验模型5，消浪格栅6，第二水位测量仪7，尾门8，风暴潮、波浪耦合控制系统9。