一种圆极化水波转换增强方法、装置

1.本发明涉及波浪理论和工程领域，特别涉及一种圆极化水波转换增强方法、装置。


背景技术：

2.圆极化水波本身没有方向性，距离波源相同距离的水波振幅大小相同，这使得圆极化水波没有较高的应用价值，在以往的理论研究和实践中，一直没有有效的方法减弱圆极化水波波源一侧的水波振幅，增强圆极化水波波源另一侧的水波振幅，实现圆极化水波的单向传播，让圆极化水波也具有方向性，同时可以通过改变圆极化水波波源的旋转方向来改变水波单向传播的传播方向，这样就极大地增加了圆极化水波的应用价值，可以用来海洋货物运输和海洋垃圾清理，这对海洋环境的保护和海洋资源的利用具有重大意义，因此非常有必要发明和提出将圆极化水波转换成单向传播的水波的转换方法和相关装置。海上运输一般采用轮船运输，成本较高。海洋垃圾一般采用轮船配合渔网捕捞，操作复杂，成本较高。因此申请人提出一种圆极化水波转换增强方法、装置。


技术实现要素：

3.(一)技术方案
4.本发明通过如下技术方案实现：一种圆极化水波转换增强方法，所述方法包括圆极化水波和增强装置；所述增强装置表面设有一维凹槽阵列；
5.所述方法包括如下步骤：
6.确定圆极化水波特征参数；
7.确定转换增强约束条件；
8.输出转换增强参数。
9.作为上述方案的进一步说明，所述确定圆极化水波特征参数具体包括如下步骤：
10.建立圆极化水波振幅模型；
11.确定约束条件求解模型。
12.作为上述方案的进一步说明，所述圆极化水波振幅模型如下：
[0013][0014]
式中，
[0015][0016]
式中，是η(x,y)的傅里叶变换,h1是第一类汉克尔函数,k
x
是x方向上的传播波数,是y方向上的传播波数,k0＝2π/λ。λ是波长,r和θ是柱坐标系,并且rcosθ＝x,rsinθ＝y；
“±”
号中加号和减号分别代表y》y
source
和y《y
source
的区域，其中y
source
是圆极化波源的位置。
[0017]
作为上述方案的进一步说明，所述确定转换增强约束条件具体包括如下步骤：
[0018]
确定增强装置与圆极化水波波源距离；
[0019]
确定增强装置表面功能参数。
[0020]
作为上述方案的进一步说明，所述功能参数包括：
[0021]
圆极化水波传导至增强装置表面波数；
[0022]
圆极化水波中自由空间的传播波数
[0023]
增强装置的形状参数及一维凹槽阵列参数。
[0024]
作为上述方案的进一步说明，所述输出转换增强参数具体包括如下步骤：
[0025]
确定一维凹槽阵列的约束范围；
[0026]
对所述增强装置的形状参数及一维凹槽阵列参数进行修正。
[0027]
作为上述方案的进一步说明，所述输出转换增强参数之后还包括如下步骤：
[0028]
将输出的增强参数应用于增强装置；
[0029]
设定增强装置与圆极化水波的参数；
[0030]
圆极化水波转换增强。
[0031]
作为上述方案的进一步说明，所述设定增强装置与圆极化水波的参数包括圆极化水波波源的中心距离增强装置距离为：
[0032]
p＝0.2*λ
[0033]
式中，λ表示圆极化水波的波长。
[0034]
本发明还提出一种圆极化水波转换增强装置，其特征在于，所述装置为类长方体；所述长方体的一面设有一维凹槽阵列，其余面为平面结构；所述装置的尺寸参数与一维凹槽阵列参数依据一种圆极化水波转换增强方法获得。
[0035]
作为上述方案的进一步说明，所述装置选用不透水且不易发生形变的刚体，且装置增强装置密度需确定装置能够浮入水中或，
[0036]
选用不透水且不易发生形变的非刚体，并将装置固定在水中。
[0037]
(三)有益效果
[0038]
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：(1)经过设计后，具有特定频率和波长的圆极化水波可以在一维凹槽阵列结构附近激发出单向传播的水波；(2)可以通过调节圆极化水波的旋转方向来改变该结构激发出单向传播水波的传播方向；(3)提出了实现这种功能的设计方法，而且该方法具有一定的可拓展性和灵活性，可以设计出多种满足要求的一维凹槽阵列结构参数、水深参数。
附图说明
[0039]
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0040]
图1为本发明方法流程图；
[0041]
图2为本发明实施例的水波转换装置的原理求解示意图；
[0042]
图3为本发明实施例的水波转换装置的俯视图；
[0043]
图4为本发明实施例的水波转换装置的正视图。
具体实施方式
[0044]
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
[0045]
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
[0046]
实施例
[0047]
请参阅图1，一种圆极化水波转换增强方法，所述方法包括圆极化水波和增强装置；所述增强装置表面设有一维凹槽阵列；
[0048]
所述方法包括如下步骤：
[0049]
确定圆极化水波特征参数；此步骤的目的在于剖析圆极化水波的内在机制，计算出圆极化水波转化成单向传播水波所需要的条件。具体如下：
[0050]
建立圆极化水波振幅模型；圆极化水波振幅模型如下：
[0051][0052]
式中，
[0053][0054]
式中，是η(x,y)的傅里叶变换,h1是第一类汉克尔函数,k
x
是x方向上的传播波数,是y方向上的传播波数,k0＝2π/λ。λ是波长,r和θ是柱坐标系,并且rcosθ＝x,rsinθ＝y；
“±”
号中加号和减号分别代表y》y
source
和y《y
source
的区域，其中y
source
是圆极化波源的位置。
[0055]
确定约束条件求解模型。当|k
x
|》k0,时，带入到式子(1)可得：
[0056][0057]
此步骤先讨论形成单向传播水波的区域在圆极化波源上方，即对应于式子(2)中的加号，当|k
x
|》k0时，波源左侧区域(k
x
《k0)的水波振幅被增强，波源右侧区域(k
x
《k0)的水波振幅被减弱，从而可以形成向左传播的单向传播的水波，同理改变圆极化水波的旋转方向就可以形成向右传播的单向传播的水波，同时从式子(2)中可以看出，当|k
x
|》k0时，y方向上的水波是衰势波，在y方向上，随着和圆极化波源距离增大，水波振幅迅速衰减，所以特殊结构的位置不能距离圆极化波源太远，否则会导致水波振幅太小而没有单向现象。
[0058]
确定转换增强约束条件；具体包括如下：
[0059]
本实施例设计了一种一维凹槽阵列增强装置，请参阅图2-图4，可以实现x方向上传播波数|k
x
|》k0，从而可以将圆极化水波转换成单向传播的水波，其形状是类长方体，增强装置正面为均匀挖槽结构，其余三面为矩形平面结构；增强装置长度为l1，宽度为l2，高度为l3，圆极化水波波源的中心距离增强装置距离为p，每两个凹槽的间隔为d，即挖槽的周期长度为d，其中槽的x方向上宽度为a，槽的y方向上深度为s；
[0060]
进而在上述装置的基础上确定增强装置与圆极化水波波源距离。当增强装置浸没在水中时，增强装置顶部高出水面，增强装置下底面所处的水深为h。增强装置长度l1可以根据想实现水波单向传播的区域宽度确定，一般会把圆极化水波的波源放在一维凹槽阵列的中间位置，即满足l1大于等于2倍水波单向传播区域的宽度即可。增强装置宽度l2的大小没有要求，可以使增强装置稳定地立在水中即可，增强装置高度l3根据水深来调节，满足l3大于水深h即可。前面计算得出一维凹槽阵列距离圆极化水波波源不能太远，所以取圆极化水波波源的中心距离增强装置距离为p＝0.2*λ。
[0061]
完成上述步骤后进行增强装置表面功能参数确定。功能参数包括：圆极化水波传导至增强装置表面波数；圆极化水波中自由空间的传播波数增强装置的形状参数及一维凹槽阵列参数。具体如下：
[0062]
首先确定功能参数，从上述的步骤可以得到如下一系列参数：水波在一维凹槽阵列表面传播的波数k
x
，水波中自由空间的传播波数k0,挖槽的周期长度d，槽的x方向上宽度a，槽的y方向上深度为s和圆极化水波的波长λ。
[0063]
上述的参数应该满足如下关系：
[0064][0065]
其中k0＝2π/λ。
[0066]
在图2的区域
①
中，水波的总振幅η1是入射波的振幅和反射波的振幅的叠加：
[0067][0068]
在区域2中，因为槽的x方向上宽度a远小于入射波的波长λ，所以在一维凹槽阵列的槽中只存在基模，所以区域
②
水波的总振幅η2为：
[0069][0070]
其中b是沿着y轴正方向传播的水波的振幅系数，c是沿着y轴负方向传播的水波的振幅系数。
[0071]
假设水波的水平通量为其中h是水深，g是重力加速度图2的区域
①
和区域
②
中的背景水深和重力加速度分别为h0和g0,所以我们可以得到区域
①
水波的y方向上水平通量ζ
1y
为：
[0072][0073]
同时区域
②
水波的y方向水平通量ζ
2y
为：
[0074][0075]
在y＝0的地方：
[0076][0077]
η2＝(b+c)#(8.2)
[0078][0079][0080]
在y＝s的地方，一维凹槽阵列时刚体，y方向上水平通量无法通过，所以所以可以得到：
[0081][0082]
通过式子(8.5)可以得到：
[0083][0084]
在y＝0，当|x-xj|《a/2(其中xj是每个循环周期的中心坐标)，η和ζy应该连续,所以η1＝η2,ζ
1y
＝ζ
2y
,即：
[0085][0086][0087]
当a/2《|x-xj|《d/2时，一维凹槽阵列是刚体，y方向上的水平通量无法通过，所以所以可以得到：
[0088][0089]
在|x-xj|《a/2对(8)(9)进行积分，并且在a/2《|x-xj|《d/2上对(10)进行积分：
[0090]
a(1+r)＝(b+c)s0#(13)
[0091][0092]
其中
[0093]
联立(7)(11)(12)，可以得到：
[0094][0095]
把(13)扩展到k
x
》k0并计算出式子(13)的零点，可以得出该
一维凹槽阵列表面模式的色散关系为：
[0096][0097]
这就是上面的式子(3)。
[0098]
完成上述步骤后开始进行输出转换增强参数。具体包括如下步骤：
[0099]
确定一维凹槽阵列的约束范围；因为前述步骤中的计算过程需要满足波长大于周期长度为d和槽的x方向上宽度为a五倍以上，但是如果波长太大就会因为波的衍射效应导致单向传播的现象减弱甚至消失，经过反射实验，最终结果发现d＝λ/5.5和a＝d/2效果最好，根据前述步骤中的一维凹槽阵列表面模式的色散关系为：可以计算出该一维凹槽阵列适用的波长范围为[4s,∞]，所以可以到s的取值范围为[0,0.25λ],因为s太小太大都会导致单向效果减弱甚至消失，经过反复实验后，最终结果发现s＝0.155λ效果最好，即s＝0.85*d。
[0100]
对所述增强装置的形状参数及一维凹槽阵列参数进行修正。通过前述步骤确定约束范围后，取挖槽的周期长度为d＝λ/5.5，槽的x方向上宽度为a应该满足a＝d/2,y方向上槽深长度s＝0.85*d。带入前述方法中的式子(16)可以得出k
x
＝1.24k0，符合|k
x
|》k0的要求，可以将圆极化水波转换成单向传播的水波
[0101]
输出转换增强参数之后还包括如下步骤：
[0102]
将输出的增强参数应用于增强装置；
[0103]
设定增强装置与圆极化水波的参数；
[0104]
圆极化水波转换增强。
[0105]
前述方法给出了整个增强方法的原理和步骤，基于此本发明还提出一种圆极化水波转换增强装置，其特征在于，所述装置为类长方体；所述长方体的一面设有一维凹槽阵列，其余面为平面结构；所述装置的尺寸参数与一维凹槽阵列参数依据一种圆极化水波转换增强方法获得。所述装置选用不透水且不易发生形变的刚体，且装置增强装置密度需确定装置能够浮入水中或，选用不透水且不易发生形变的非刚体，并将装置固定在水中。因为前述已经将方法部分进行完整的说明，此处不再赘述。只给出具体实施例。
[0106]
在一个150cm
×
100cm的水池中，先放置一圈4.5cm厚的海绵用来吸收水波，减少水波的反射，然后类长方体增强装置长度l1＝91cm，宽度l2＝10cm，圆极化水波波源的中心距离增强装置距离为p＝0.2*λ＝1cm，y方向上槽深长度为s＝0.85*d＝0.773cm，如图2所示：
[0107]
类长方体增强装置高度l3＝10cm，在增强装置的正面均匀挖100个凹槽，每两个凹槽的间隔d＝0.909cm，即挖槽的周期长度d＝0.909cm，槽的x方向上宽度为a＝d/2＝0.455cm，如图3所示：
[0108]
将增强装置浸没在水中时，此时增强装置顶部高出水面，增强装置下底面所处的水面为h，h＝1.5cm。取圆极化水波波源的波长为λ＝5cm，旋转方向为顺时针，当具有该波长和旋转方向的圆极化水波的波源靠近一维凹槽阵列时，发现圆极化水波波源左侧的水波振幅被大大减弱，波源右侧的水波振幅被增强，形成了向右传播的单向水波，当保持波长不变，把旋转方向改为逆时针，这个时候发现圆极化水波波源右侧的水波振幅被大大减弱，波源左侧的水波振幅被增强，形成了向左传播的单向水波，所以可以通过调节波源的旋转方
向，来控住单向水波的传播方向，为了演示单向水波的运输货物作用，在圆极化水波波源两侧分别放两个浮球，然后当形成向左传播的单向水波时，左侧的小球快速向左移动，右侧的小球几乎不动，证明该装置可以用于运输货物。
[0109]
本发明的优点在于：
[0110]
(1)经过设计后，具有特定频率和波长的圆极化水波可以在一维凹槽阵列结构附近激发出单向传播的水波；(2)可以通过调节圆极化水波的旋转方向来改变该结构激发出单向传播水波的传播方向；(3)提出了实现这种功能的设计方法，而且该方法具有一定的可拓展性和灵活性，可以设计出多种满足要求的一维凹槽阵列结构参数、水深参数。
[0111]
上述实施例中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施例仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域中专业技术人员对本发明的技术方案作出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。