2D斷面消波數值水槽VB2026年版      2022.08.10   更新日期:2026/02/02

一、目的

    筆者於1990年代利用邊界元素法，設計出一系列消波式數值2D造波水槽如下述參考文獻。2011年退休後利用Java Applet將之可視化，花費約1年完成並上網供分享。然學生們認為這些研究屬學術對工程實務助益不大，建議編輯工程實務相關手冊。個人此時亦有同感學術成果只是自嗨，當時這些研究主要目的為計劃申請及職務上義務，對現職教師都是壓力，曾有任教職的學生跟我說，研究是件痛苦不得已的事。有沒有這些研究社會不會有實質改變，因此將手頭上的分析軟體全部丟到垃圾筒，專心編輯港灣海岸工程實務相關手冊，歷經10個歲月在2021年完成港灣海岸工程手冊，供學子及甫步入社會的菜鳥參考。2022年初Microsoft宣布中止Java Applet支援，因此辛苦完成的JAVA波浪公式集化為烏有，心有不甘於4月重新學習Visual Studio的Visual Basic，編輯波浪公式集首先將各種波浪現象製成可視化動畫，例如可能可表現瘋狗浪形成的兩波斜向交會等。今首先完成通用的消波式數值2D造波水槽，水槽內配置半潛式、潛水式結構物時的運動，或海底配置消波潛堤時的消波效果等屬客製化動畫將陸續上網。除數值2D造波水槽外，蛇型多方向不規則3D造波水槽、海灘漂砂變形、船體運勤、多本船真時操船模擬等，亦會陸續上網。

     更新2D斷面消波數值水槽，追加補充說明。2026/01/11

二、 操作說明

1. 本程式係以執行檔型式供造訪者下載，在造訪者電腦執行。
2. 本程式可為直立壁或斜坡空水槽，以事先對各種波浪設定「預設值」供參考但不保証一定可執行，必要時可合理調整各項數據至  可執行。
3. 設定步驟如下：
   1.選定造波型式：選定波型打✓後按「選定波型」，再按「確定」。
   2.設定水槽：可調整水槽長度、水槽水深、有無設置消波段(sponge zone)等後按「設定水槽」。
   3. 波浪設定：可調整造波波高、週期、時間間隔等後按「波浪設定」，造波時間間隔針對不同波型預設不同值，可適度調整。
   4.節點設定：可調整各邊界節點數後按「節點設定」。
   5.全部設定完成後按「顯示波動」

4. 所有水深均轉換為單位水深1m，其他物理項依Froude相似率配合轉換。

補充說明(2026/01/12)

1.  本軟體為專業性波浪分析工具，討論各種波浪在不同狀況的波動，可能形成重複波或形成碎波，由於達臨界碎波後流體運動不再具有速度勢，爾後計算不具實值物理意義，必要以專業終止計算。

2.  本波浪分析工具考量自由水面的強非線性運動條件，數值計算屬較不穩定狀態，影響因素除有水深、波高、週期及地形等自然因素外，尚計算元素大小及計算時間隔等數值計算因素。自然因素可控、數值計算因素雖有各種方法可調整其相互關係達穩定，但實際有因難，必要依測試覓出可適用範圍。

4.  由於水槽水深設定為單位水深1m，實際海面經常發生的波浪週期約在7～20秒範圍，依相似律換算，實驗相對週期則約在2～5秒間。

5.  對具有週期性的波，設定元素大小時為滿足週期性波的物理特性，每波長必要配置至少16個元素。由於考量各種波浪均能適用，元素大小設定不採用傳統的波浪波長，而是以水槽水深為標準，預定值為每單位水深設定4個元素，即自由水面元素數 n2 = 水槽長度 x 6 + 1，海底面元素數 n4 = (水槽長度-斜面長度) x 2 + 1，可視必要調整。

6.  對孤立波，元素大小配合波高適度調整。因孤立波造波速度快，會使造波板超越元素導致當機，造波時間間隔須較短。

7.  對不規則波，元素大小設定，對不規則波群的有義週期的波長，至少取16個元素為宜，。

8.  側壁為斜面時，元素大小設定約與單位水深相等即可。

9.  元素大小大致依上述原則設定，最後必要設定造波時間間隔，造波時間間隔理論上與波特性有關，但元素大小佔很大因素，實用上造波時間間隔設定0.01～0.02，預設值為造波週期的1/200。對週期波，起始造波時數值計算不穩定，前400次起始造波的造波間隔設定為造波週期的1/400。

10. 斜面越緩，造波時間間隔宜越短。

11. 水面元素n2>100時、間隔2點顯示，n2>200時、間隔4點顯示。

12. 目前本軟體僅顯示空水槽各種波浪的時間歷時，可發展至水面、水中或海底地形變化等狀況，邊界元素法程式僅需作部分修正，主要為結構物座標設定即可應用，其方法述於邊界元素法在海岸工程應用。由於VB的sinx檔無法上網，只能以下述壓縮檔上綢，使用者下載exe檔執行。有意開發者可連絡本人提供原始檔。

13.本軟體採自動配置，但可自行調整修正。

測試結果

   水槽造波水深設定為單位水深(1m)、水槽長度預設為50m(可調整)，不規則波為100m。教學示範時為縮短時程，對垂直側壁水槽長度可調整為30m，以了解垂直側壁的影響。

 A.規則波(週期波)

1.垂直側壁

a.測試完成範圍：涵蓋實際海上6～14秒波浪。

b.換算成單位水深d(1m)時，造波波高：0.2d以下，造波週期：3秒以下，依預設值即可。

c.超出測試範圍，可變更水槽總長使其超出6個測試波長以上(使造波達穩定)，或許可得期待模擬。執行1次演算，取得模型波長重新執行鍵入適當水槽總長後重新執行。模擬過程因自由水面元素增加，耗時較長。2026/01/31

   本模擬可觀測，從造波板起始造波，此時波形受造波板影響呈不安定，隨著造波的持續波前進，為取得完整波形，水槽必要有足夠長度，至少超出6個測試波長以上為宜。未達垂直側壁前以進行波形式傳播，到達側壁受側壁反射，開始從側壁反射逐一形成重複波，此時其他波尚呈進行波。如何從進行波順利轉換形成重複波是模擬上的關鍵， 一般進行波波長以8個元素就可表達出其特性，重複波則需16個元素。但是在轉換過程需要更多元素，以24個元素以上為適。

   進行波到達側壁受側壁反射後，依序逐一形成重複波，此時在重複波逐漸形成過程，某時刻該部分水面會呈靜止，表示重複波特性出現。波向造波板方向反射，當反射波到達造波板時，因整體水槽水運動呈重複波狀態。模擬大功告成。

2.陡坡側壁(坡度 1：1～1：5)

   水槽長度設定為30m，完成測試範圍為，坡度 1：1～1：5，造波週期2～3秒，造波波高0.3d以下。

3.緩坡度海底(坡度 1：10～1：30)

B.孤立波

1.  自由水面節點數=101，側壁及海底節點數適度調整。

2.  造波時間間隔，起始造波時造波時間間隔設定為0.02(可調整)。為縮短計算，起波達安定時，計算時間間隔增倍，當孤立波達水槽中段時考量波與水槽側壁(斜面)相互影響，計算時間間隔縮短為起始造波時造波時間間隔的1/2。