表面重力波浪发生器和波浪池

技术领域

本申请根据35U.S.C.§119要求下面的申请的优先权，该申请在此全部并 入作为参考：序列号为12/274321的、2008年11月19日申请的、名称为“表 面重力波浪发生器和波浪池”美国申请。

背景技术

海浪用来进行娱乐已经长达几百年，在具有良好形成的碎浪的任何海滩处 最流行的运动之一是冲浪运动。冲浪运动和其他滑水板运动实际上已经变得如 此流行，以致于在适合于冲浪运动的任何拍岸碎浪附近的水面通常是拥挤的并 且负担了过多的冲浪者，以致每个冲浪者不得不竞争每个波浪并且活动的时间 有限。此外，地球人口中的大多数甚至没有接触海浪以便享受冲浪运动或其他 海浪运动的合适途径。

另一个问题是在任何地点的波浪都是变化的和不一致的，偶尔有“多组” 令人满意地形成的在被乘上之后被找寻的波浪，这些波浪之间散布着较不合意 的，在某些情况下，不可乘上的波浪。甚至当冲浪者设法能乘上所选的波浪时， 乘浪的持续时间平均也只持续仅仅2-30秒，大多数乘浪时间在5至10秒之间。

海面波浪是沿着水和空气之间的分界面传播的波浪，恢复力由重力提供， 因此它们常常被称为表面重力波浪。图1示出了支配进入浅水的表面重力波浪 的原理。深水中的波浪一般具有不变的波长。当波浪与海底相互作用时，它开 始“变浅”。典型地，这发生在深度变成比波浪的波长的一半还浅、波长变短并 且波幅增大时。当波幅增大时，由于波浪的波峰移动得比波谷快，所以波浪可 能变得不稳定。当波幅是水深度的大约80％时，波浪开始“破碎”并且我们进 行冲浪。这个上升和破碎过程取决于海滩的倾角和轮廓、波浪接近海滩的角度、 水深和接近海滩的深水波浪的特性。通过对底部地形的改变，这些波浪的折射 和聚焦是可能的。

海浪一般有五个阶段：产生；传播，浅化，破碎，和衰减。浅化和破碎阶 段对于可乘浪而言是最希望的。强烈地取决于水深与波幅之比的破碎点在其他 因素中还取决于底面的轮廓、深度和形状以及波浪的速度、波长和高度。一般 而言，波浪可以表现出导致四种主要碎浪类型之一的特征：溢出，卷入，崩溃； 和涌浪。在这些波浪类型中，溢出浪对于初学冲浪者是优选的，而卷入浪是更 有经验的冲浪者所热爱的。这些碎浪类型在图2中示出。

各种系统和技术试图在人造环境中复制海浪。这些系统中的一些包括引导 快速运动的、相对浅的一片水撞击造型成波形的固体以产生可以乘的但实际上 并非波浪的水效果。其他系统利用线性致动的桨、液压或气动的水闸或仅仅利 用大的受控的水喷射来产生实际的波浪。然而，所有这些系统在将能量转变成 “波浪”方面都是效率低的，由于各种原因和缺点，这些系统中还没有一个接 近产生这样的波浪，该波浪复制被找寻以便乘上的最令人满意的波浪的所需尺 寸、波形、速度和破碎，所述波浪即进入下降的浅水、破碎成管状的波浪，该 波浪具有相对长的持续时间和足够冲浪者进行动作的面。

发明内容

本文献提出了产生表面重力波浪的波浪发生器和波浪池，表面重力波浪可 由冲浪板上的使用者乘上。

在一个方面中，披露了用于水池的波浪发生器，水池由具有侧壁的槽限定。 波浪发生器包括一个或多个箔，每个箔至少沿着侧壁的主要部分垂直地布置并 且适合于在沿着侧壁长度的方向上移动。每个箔都具有限定了前沿面和后沿面 的曲线的横截面几何形状，前沿面适合由于移动而在水中产生波浪，后沿面构 形成用于流复原以避免波浪中的水流分离和减轻由于移动导致的来自箔的阻 力。波浪发生器还包括移动机构，其连接在侧壁和所述一个或多个箔之间用于 使所述一个或多个箔在沿着侧壁长度的方向上移动，以通过所述一个或多个箔 中的每一个产生表面重力波浪。

在另一个方面中，披露了一种波浪池。波浪池包括包含水且具有侧壁和底 部轮廓的槽，侧壁具有高度，底部轮廓朝着浅滩或海滩远离侧壁向上倾斜。波 浪池还包括一个或多个箔，基本上如上所述。在一些实施方式中，波浪池包括 两个或更多个箔，优选地至少四个箔。

在又一个方面中，披露了用于产生表面重力波浪的波浪发生器。波浪发生 器包括三维的箔，其具有限定了前沿面和后沿面的曲线的横截面几何形状，前 沿面适合在移动过前沿面的水中产生波浪，后沿面构形成用于流复原以避免波 浪中的水流分离和减轻由于移动过前沿面的水导致的来自箔的阻力。

在附图和下面的说明中阐明了一个或多个实施例的细节，根据说明书和附 图以及权利要求，其他特征和优点是显而易见的。

附图说明

现在将参考下面的图详细描述这些和其他方面。

图1表示进入浅水的波浪的特性。

图2表示四种一般类型的碎浪。

图3A和3B分别是具有环形形状的池的顶视图和侧视图。

图4表示池的底部轮廓。

图5表示环形构形的池，和池的内壁上的波浪发生器。

图6表示环形构形的池的一部分，其具有沿着外壁垂直布置的波浪发生器。

图7A和7B分别是透视图和横截面图以表示用于壁的线性部分的箔的形 状。

图8表示波浪传播的速度关于箔速度的相关几何图形。

图9表示波浪发生器池，其中旋转的内壁位于固定的外壁内。

图10表示波浪发生器，其中柔性层被置于外壁上，外壁包括用于布置在外 壁的整个长度或周边周围的若干线性致动器。

图11表示波浪发生器，其具有置于外壁上的柔性层。

图12表示包括柔性层的波浪发生器，柔性层将箔夹在它本身和外壁之间。

不同附图中同样的附图标记表示同样的元件。

具体实施方式

本文献描述了产生所需冲浪性的波浪的装置、方法和系统。冲浪性取决于 波浪角度、波浪速度、波浪倾斜度(即，陡度)、碎浪类型、底部坡度和深度、 曲率、折射和聚焦。许多细节致力于孤立波浪，因为它们的特性使它们特别有 利于通过在此提出的装置、方法和系统产生。当用在本申请中时，术语“孤立 波浪”用来描述在平均水位上方具有单个水位移的浅水波浪或“表面重力波浪”。 孤立波浪在没有散射的情况下传播，它非常接近地类似在海洋中产生良好的拍 岸浪的波浪类型。理论上理想的孤立波浪由散射和非线性之间的平衡而引起， 所以波浪能沿着距离传播，同时保持其形状和波形，而没有通过抵消波浪导致 的阻碍。孤立波浪的波形是距离x和时间t的函数，并且可由下面的等式表示 其特性：

$\eta (x,t)=A\sec {h_0}^2\left(\sqrt{\frac{3A}{{{4h}_0}^3}}(x-t\sqrt{g(h_0+A)})\right)$

其中A是水面上方的波浪的最大波幅或最大高度，h₀是水的深度，g是重 力加速度，η(x，t)是在h₀上方的水的高度。虽然理论上孤立波浪的长度是无 穷大的，但孤立波浪的长度由水面高度限定，并且可以被定义为：

$L=\frac{2\pi }{k}$其中$k=\sqrt{\frac{3A}{{{4h}_0}^3}}$

池子

本申请中描述的系统、装置和方法使用了水池，在水池中产生孤立波浪类 型或其他的表面重力波浪。在一些优选实施例中，池子是圆形的或环形的，由 直径为200至800英尺或更大的外壁或边缘限定。然而，作为选择，也可以使 用直径小于200英尺的圆的或圆形的池子，450至500英尺的直径是优选的。 在一个示例性实施例中，池子是环形的，具有中央的圆形岛，其限定了一槽或 水槽。在该环形构形中，池子的外径为500英尺，槽宽度为至少50英尺。虽然 槽可以具有100英尺或更大的宽度，其能产生30-70英尺的可乘的波长。

在另一个示例性实施例中，池子可以是不间断的水池，例如没有中央的岛 的圆形池子。在圆形构形中，池子可以具有朝着中央向上倾斜到浅滩或岩床的 底部，并且可以包括较深的水槽或导致浅的溢出或平面。在又一个其他实施例 中，池子可以是任何闭环的、曲线的槽，例如跑道形状的(即，截断的圆)、椭 圆形的、或其他圆形状。在再一个其他实施例中，池子可以包括打开的或封闭 的成圈的直线或曲线槽，水流过该槽，并且其可以使用或不使用水回收或再循 环和流动机构。

图3A和3B分别是根据环形实施例的池子100的顶视图和横截面图。池子 100具有基本上环形的形状，该基本上环形的形状由外壁102、内壁104和在外 壁102与内壁104之间并由它们限定的水槽106所限定。在环形实施例中，外 壁102和内壁104可以是圆形的。内壁104可以是在水槽106的平均水位101 上方延伸的壁，并且可以形成岛108或在平均水位101上方的其他类型的平台。 作为选择，内壁104可以形成浸在水中的暗礁或在水槽106和第二池子之间的 挡板。例如，第二池子可以是浅的以承受由于在水槽106中产生的波浪所导致 的波浪冲刷。池子100还包括侧部110。在一些实施例中，侧部110可以包括 轨道，如用于接收机动车的单轨或其他导轨，并且车可以连接到至少一个波浪 发生器，所述波浪发生器优选地呈可移动的箔的形式，如下面进一步描述的。 在其他实施例中，与侧部110合作或不与侧部110合作的外壁102可以支承呈 具有内置箔的柔性壁或旋转壁形式的波浪发生器，其也在下面进一步描述。

波浪发生器

图4表示用于临界倾斜的海滩设计的池子的底部轮廓，不管池子是直线的、 曲线的、圆形还是或环形的都是如此。底部轮廓包括侧壁200，侧壁200可以 是内侧壁或外侧壁。侧壁200的高度至少延伸得比平均水位高，并且侧壁200 优选地在所产生波浪的最大振幅或高度上方延伸。侧壁200适合于容纳波浪发 生器，例如垂直地置于侧壁200上且沿着侧壁200横向地移动的箔。底部轮廓 还包括深区域202，其在一些构形中延伸得足够长至少足以容纳箔的厚度。深 区域202可以延伸得比箔的厚度更远。侧壁200和深区域的相交处还可以包括 斜坡、台阶或其他几何特征，或轨道/导轨机构，其参与引导箔的移动或给箔的 移动提供动力。可以制造大浪以让振幅与深区域202的深度相同或甚至大于深 区域202的深度，然而，在振幅为80％水深度时，大部分表面重力波浪理论上 会变得不稳定。

池子的底部轮廓还包括斜坡204，其从深区域202向上升。斜坡204的角 度的范围可以从1至16度，优选地从5至10度。斜坡204可以是直线的或弯 曲的，并且可以包括凹痕、起伏或其他几何特征。底部轮廓还包括浅滩206或 岩床。来自斜坡204上一点和浅滩206的表面提供了所产生波浪的主要破碎区， 破碎区中的波浪建立可改变平均水位。浅滩206可变平或弯曲，并且可转变成 变平的浅的平坦区域208、浅的沟渠210或深的沟渠212，或它们的任何交替的 组合。浅滩206也可以是斜坡204的延伸部分以直接终止于海滩中。海滩可以 是真实的或人造的，海滩可以包含排水系统，在一个实施例中，排水系统采取 格栅的形式，水通过格栅向下流入，其可以与普通的水再循环和/或过滤系统相 连。海滩还可以包含波浪阻尼隔板，其帮助将波浪的反射减到最小并沿着海岸 减少运输工具和水流。

底部轮廓优选地由刚性材料形成，并且可以被人造涂层覆盖。在一些实施 例中，底部可以包含多个较软的更柔性的材料的部分，例如，可以引入泡沫暗 礁，在被浪打翻期间其会比较宽容。在浅滩206处或在破碎区内，涂层可以较 厚。涂层可以由刚性低于刚性材料的层形成，并且甚至可以是减震阻尼的。斜 坡204、浅滩206和/或底部轮廓的其他区域可以通过一个或多个可移除的插入 件形成。此外，底部轮廓的任何部分都可以是可动态重新配置的和可调节的， 以通过机动机构或可膨胀囊状物或其他类似的动态成形机构实时改变底部轮廓 的大体形状和几何结构。例如，可移除的插入件或模块可以与固体地板相连。 插入件或模块可以是绕着圆一致的，或可变的，以产生由斜坡204或浅滩206 中的波动限定的复现的暗礁。以这种方式，可以将特别成形的模块引到特定位 置以产生具有所需拍岸浪破碎的部分。

图5示出了呈环形构形的池子300，和在池子300的内壁304上的波浪发 生器302。波浪发生器302是沿着内壁304垂直地布置的箔，并且沿所指方向 移动以产生波浪W。图6示出了呈环形构形的池子400的一部分，池子400具 有沿着外壁404垂直地布置的波浪发生器402。波浪发生器402沿所指方向移 动，以产生波浪W，如所示。与内壁布置相比，外壁布置能实现更好的聚焦和 更大的波浪，然而内壁布置能实现减小的波浪速度和可能更好的可冲浪性。优 选地通过动力驱动的车辆或保持干燥并远离水的其他机构使波浪发生器302和 402移动，所述车辆或机构例如位于导轨或其他轨道上，其一部分可以浸在水 中。

波浪发生器也可以构形成在槽的中央延伸，在这种情况下，在内壁和外壁 上都有海滩，轨道/导轨机构可以由高架结构支承或通过支架支承。

箔

在优选实施例中，本申请中描述的波浪池使用一个或多个箔用于产生所需 可冲浪性的波浪。箔被成形以便以超临界流产生波浪，即，箔移动得比所产生 波浪的速度快。浅水(当水深比得上波长时)中波浪的速度可以由V_W代表：

$V_W=\sqrt{g(h_0+A)}$

其中g是重力，h₀是水的深度，A是波幅。超临界状态可以由弗劳德数(Fr) 代表，其中大于1的数是超临界的，小于1的数是亚临界的：

Fr＝V_F/V_W，其中V_F是箔相对于水的速度

当水和箔相对于彼此移动时，箔适合于远离箔的前沿部地传播波浪，并且 实现机械能向由于该移动所导致的波浪的最直接的传递。以这种方式，理想的 大浪立即形成在箔的前沿部附近。箔通常被最优化以对于给定的水深产生最大 的可能的大浪高度，但在一些构形中，产生较小的大浪可能是所希望的。

提出的措施依赖于使得在每个位置通过箔给予的位移与波浪的自然位移区 相匹配。对于箔将通过的固定位置P，如果我们假设与箔正交的方向为x，当前 在P的箔部分的厚度为X(t)。

在点P的X的变化率可以与波浪的深度平均速度相匹配，这在等式(1) 中表达：

$a.\frac{\mathrm{dX}}{\mathrm{dt}}=\bar{u}(X,t)---\left(1\right)$

b.将变量从(x，t)变成(θ＝ct-X，t)，其中c是波浪的相速度

$c.\frac{\mathrm{dX}}{\mathrm{d\theta }}=\frac{\bar{u}\left(\theta \left(X\right)\right)}{c-\bar{u}\left(\theta \left(X\right)\right)}---\left(2\right)$

在等式(2)中，波浪的深度平均速度可以由许多不同理论给出，例如瑞 利的孤立波浪解(Rayleigh Lord，On Waves.，Phil.Mag.，1(1876)，257-279页)， 或Boussinesq的孤立波浪解(Boussinesq M.J.，Théorie de 1’intumescence liquide， appelée onde solitaire ou de translation，se propageant dans un canal rectangulaire， C.-R.Acad.Sci.Paris，72(1871)，755-59页)。对于采取下面的等式3和4的形式 的孤立波浪情况，我们研究了几个例子。箔设计的这个技术也可以应用于存在 已知的、计算的、测量的或近似的解答的任何其他形式的表面重力波浪。

a.η(θ)＝Asech²(βθ/2)    (3)

$b.\bar{u}\left(\theta \right)=\frac{\mathrm{c\eta }\left(\theta \right)}{h_0+\eta \left(\theta \right)}---\left(4\right)$

这里η(θ)是来自支架(rest)的自由表面高度，A是孤立波浪振幅，h₀是平 均水深，β是边界衰减系数，c是相速度。是深度平均水平深度。C和β对 于不同的孤立波浪将会不同。

通过箔速度V_F，通过代入t＝Y/V_F，等式(2)和(3)与(4)结合给出了 在固定位置的箔厚度及时变化率(5)，并且与箔形状X(Y)相关，

$a.X\left(t\right)=\frac{2A}{h_0\beta }\tanh [\beta (\mathrm{ct}-X\left(t\right))/2]---\left(5\right)$

箔的最大厚度根据(5)如下给出：

$i.T_F=\frac{4A}{h_0\beta }$

然后可以将箔的活动部分的长度近似为：

$i.L_F=\frac{4}{\mathrm{\beta c}}\left({\tanh }^{-1}\right(.99+\frac{A}{h_0})$

与瑞利的孤立波浪对应的C和β的值是：

$i.\frac{{\beta }_R}{2}=\sqrt{\frac{3A}{{{4h}_0}^2(A+h_0)}}$和$c_R=\sqrt{g(A+h_0)}$

在直线化之后的小位移的这个例子中，箔形状X(Y)可以被近似为：

$a.X_R\left(Y\right)=\frac{2A}{h_0{\beta }_R}\frac{h_0\tanh ({\beta }_R{c}_{R}Y/2V_F)}{h_0+A[1-{\tanh }^2({\beta }_R{c}_{R}Y/2V_F)]}$

这个解答也可以用双曲正切函数来近似。

如图7A和7B中的示例性构形所示，箔500是三维的、曲线成形的几何形 状，其具有产生波浪的前沿面502或“活动部分X(Y)”和后沿面504，后沿 面504作为流复原件起作用以避免流的分离并减小箔500的阻力以改善能量效 率。箔500成形成将大多数能量变成主要的孤立波浪模式，并将变成振荡的尾 波的能量减到最少。照此，箔500为后面的波浪发生器和箔，如果有的话，提 供了静态的环境。每个箔500可以包含内部致动器，其允许箔的形状变形以产 生不同的波浪，和/或每个箔500能铰接以便解决非圆形或非直线池子的外壁的 曲率变化。在一些实施例中，箔的变形允许机械装置反转以通过在相反的方向 上平移箔来产生波浪。

基于根据对等式的模拟作为双曲正切函数的时间函数向空间函数的转变， 箔成形和形成为特殊的几何形状，当活塞推动波浪板以产生浅水波浪时，双曲 正切函数的时间函数作为时间函数数学地限定了该活塞的行程。这些双曲正切 函数相对于在长波浪产生模型中产生的波浪位置考虑了波浪板位置，并对于孤 立波浪和椭圆余弦波浪产生可接受的外形。这些技术可以用来产生任何传播的 表面重力波浪，所述表面重力波浪解决了波浪在产生过程中远离发生器传播的 问题(即，适合于波浪在产生过程中正如何变化)。对于发生器随着时间经过的 运动的补偿帮助移除曳尾的振荡波，提供更紧凑和有效的发生过程。可以解释 与这里讨论的波浪不同的其他类型的波浪。

箔的厚度与波浪的振幅(高度)和水的深度有关。因而，对于已知的深度 和所需的振幅A，能确定箔的厚度，F_T，是：

对于瑞利孤立波浪：

$F_T=4\sqrt{\frac{A(A+h_0)}{3}}$

对于Boussenesq孤立波浪：

$F_T=4\sqrt{\frac{{\mathrm{Ah}}_0}{3}}$

对于浅水，第二顺序孤立波浪：

$F_T=4\sqrt{\frac{A(A+h_0)}{3}}(1+\frac{A}{h_0})$

图8表示箔600的横截面几何形状。作为三维物体，箔600基于箔的速度 和矢量V_F产生具有传播速度和矢量V_W的波浪。当箔沿所示方向移动时，取决 于其速度，波浪将以剥离角α传播出去，规定sinα＝Fr^-1，因此对于给定水深 和波浪高度，剥离角由箔的速度确定，较大的速度对应于较小的剥离角。剥离 角越小，横越池子的波浪的长度就越长。

图9表示波浪发生器700，其中旋转的内壁702位于固定的外壁706内。 旋转的内壁702配备有一个或多个固定的箔704，箔704的尺寸和形状与上述 的箔大体上相同。这些嵌入的箔可以具有内部致动器708以允许它们根据上述 各种横截面的形状变化而变形和改变形状，因而针对不同速度和水深适应“最 有效点”。

图10表示波浪发生器800，其中柔性层802被置于外壁804上，外壁包括 布置在外壁804整个长度或圆周周围且也连接到柔性壁的大量线性致动器806。 柔性层802可以由橡胶或类似材料形成。线性致动器806是机械的或气动的致 动器，或至少具有径向展开和缩回方向的其他装置。线性致动器被致动以便在 柔性层802中形成移动的形状，其近似如上所述的箔的形状。箔形状以速度VF 沿着壁传播，非常象运动场中的人浪。

图11表示波浪发生器900，其包括被置于外壁904上的柔性层902。柔性 层902和外壁904之间的间隙限定了基本上如上所述的移动的箔906，但在连 接到外壁和柔性壁的轨道908中包括辊子。轨道908中的辊子允许箔906平滑 地在间隙中通过。这个移动的箔906产生柔性壁的径向运动，其非常近似由单 独材料形成的箔的形状，如上所述。

图12表示波浪发生器1000，其包括柔性层1002，柔性层1002可以远离外 壁1004地升起以限定箔1006。箔1006具有内部致动器1010，内部致动器1010 允许箔针对向前和向后移动改变其形状。限定的箔1006通过辊子在轨道1008 上移动，如上所述。因而，柔性层可以成形为近似上述的箔，同时保护致动器 和辊子/轨道不接触水，同时还减小单独的移动的箔的风险，其中主体部分可以 被挡住。

平均流量

在其他实施例中，池子包括提供平均流量或环流的系统。系统可以包括大 量流喷嘴，通过流喷嘴泵送水以阻遏或减轻由移动的箔产生的任何“懒人河” 流，和/或帮助改变碎浪的形状。平均环流可以具有垂直或水平可变性。可以使 用其他平均流量系统，如反转相反侧、底部或其他机构。

虚的底部

在一些实施例中，喷嘴的系统在斜坡上位于池子底部附近，其模拟比实际 深度更浅的水，因此波浪在比正常的水更深的水中破碎。可以定位这些喷嘴以 便以所需水平产生平均流量和湍流。这些喷嘴的分布可以径向地改变，并且当 一个人从外壁朝海滩移动时，在海滩上具有较多的喷嘴。在喷嘴的特性和数量 上也可以有方位角的变化。该喷嘴系统可以合并有过滤系统和提供平均流量或 懒人河减轻的系统。可以将粗糙元件加到底部以促进湍流的产生，湍流可以促 进碎浪的形式的变化。粗糙元件的分布和尺寸是半径和方位角的函数。粗糙元 件可以采取经典的和新颖的涡流发生器的形式。

虽然在上面已经详细描述了几个实施例，但其他变型是可能的。其他实施 例可以位于下面的权利要求的范围内。