波浪生成研究和實驗教學用水槽系統(tǒng)設計

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(哈爾濱工程大學 多體船技術國防重點學科實驗室，哈爾濱 150001)

利用水池進行波浪生成研究[1]、船舶水動力性能研究以及波浪生成教學工作已經(jīng)比較普及，但是，研究工作需要動用大型儀器設備，需要較多的實驗人員，波浪生成能耗大，用時長，效率低，不方便進行研究和實驗教學[2-3]。針對上述問題，基于搖板式造波機生波技術，設計一種波浪生成研究和教學用水槽系統(tǒng)，利用該水槽系統(tǒng)，進行規(guī)則波生成實驗、不規(guī)則波生成實驗、規(guī)則波重復性實驗，并根據(jù)實驗結(jié)果分析水槽系統(tǒng)性能。

1 搖板式造波機工作原理

搖板式造波機[4-7]通過機械驅(qū)動使搖板繞固定轉(zhuǎn)軸擺動，搖板在擺動過程中擾動水面，使槽中水波動,見圖1。

圖1 搖板造波示意

波高與造波搖板的擺幅有關，波浪周期與造波搖板的擺動周期有關。對于小振幅的線性波，搖板擺幅與波高之間的關系為

H=2Me

(1)

式中：M——系數(shù)，

(2)

其中：k0——波數(shù)，由ω2-k0gthk0d=0確定，ω為波浪的圓頻率。

2 水槽系統(tǒng)設計

2.1 槽體部分

槽體部分結(jié)構(gòu)主要從波浪生成、波浪觀察、波浪參數(shù)測量、結(jié)構(gòu)強度和消除對波浪干擾等方面考慮，主要包括首槽體、可視段槽體、消波網(wǎng)、造波搖板、連通管和尾槽體，結(jié)構(gòu)形式見圖2。

圖2 槽體部分結(jié)構(gòu)示意

首槽體采用角鋼骨架結(jié)構(gòu)，鋼板壁面，具有相對寬敞的整流空間，槽體頂端設有蓋板，用于安裝線性執(zhí)行器；可視段槽體采用角鋼骨架結(jié)構(gòu)，玻璃壁面，方便波浪的生成觀察，橫向設有4根角鋼骨架，玻璃為透明鋼化玻璃；尾槽體采用角鋼骨架結(jié)構(gòu)，鋼板壁面，具有相對較大的整流空間，槽體上設有蓋板，用來防止水飛濺；連通管位于可視段槽體下方，首槽體和尾槽體之間，保證了水槽內(nèi)水的連通，并對消除槽端干擾起到一定作用，連通管為鋼質(zhì)材料。

水槽系統(tǒng)采用搖板造波，板體材料為有機硬塑料。造波搖板下端固連有軸套，軸套與轉(zhuǎn)軸相連，線性執(zhí)行器推動造波搖板繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)軸為鋼質(zhì)材料，距槽底一定距離。造波搖板結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 造波搖板結(jié)構(gòu)示意

消波網(wǎng)用來消除反射波干擾，采用鋁框架矩形箱體結(jié)構(gòu)，寬度與水槽可視段槽體相等。鋁框架在四周和底部布消波網(wǎng)，內(nèi)部不規(guī)則堆網(wǎng)，網(wǎng)面材料為直徑0.2 mm的尼龍絲，正方形網(wǎng)孔邊長為0.5 mm，鋁框架和消波網(wǎng)形成的矩形箱體掛于可視造波段末端。槽體部分是波生成的載體空間，造波搖板繞轉(zhuǎn)軸搖動擊水，生成波浪，波浪從槽首造波搖板處經(jīng)可視造波段傳向槽端消波裝置和尾槽體，在槽端經(jīng)消波網(wǎng)消波和尾槽體整流作用后，經(jīng)連通管再次整流并實現(xiàn)弱流循環(huán)。

2.2 造波控制子系統(tǒng)

造波控制子系統(tǒng)包括線性執(zhí)行器、線性執(zhí)行控制器、造波控制軟件。

線性執(zhí)行器和線性執(zhí)行控制器[8]采用PARKER線性執(zhí)行器和線性執(zhí)行控制器，工作功率和電壓為500 W和220 V。

造波控制軟件由兩部分組成。上位機編譯軟件EASI-V和下位機執(zhí)行軟件。在上位機集成編譯環(huán)境中使用PARKER自帶語言進行參數(shù)設定，控制線性執(zhí)行器運動的加速度、減速度、擺幅和周期，或通過程序接口，輸入波能譜函數(shù)和傳遞函數(shù)，控制程序調(diào)試編譯成功后，再通過RS232電纜下載到PARKER線性執(zhí)行器的控制器內(nèi)存中。重新啟動PARKER的控制器，下位機執(zhí)行軟件按照內(nèi)存中的程序來執(zhí)行所設定的運動，實現(xiàn)對造波搖板的運動控制。

2.3 波浪參數(shù)采集與分析處理子系統(tǒng)

波浪參數(shù)采集與分析處理子系統(tǒng)[9]包括波高儀傳感器、波高儀控制器、數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)采集軟件。波高儀采用加拿大RBR公司的WG-50電容式波高儀，由波高儀傳感器、波高儀控制器、波高儀電源組成，供電電壓12 V。波高儀測量波高精度為0.4%，測量線性度為0.2%，能夠滿足水槽波浪信號采集需要。數(shù)據(jù)采集使用東華DH5922數(shù)據(jù)采集器，其硬件組成包括: 直流電壓放大器、抗混濾波器、A/D轉(zhuǎn)換器、緩沖儲存器以及采樣控制和計算機通信的全部硬件。外形尺寸：長×寬×高=320 mm×235 mm×90 mm。波浪生成研究和教學用水槽系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程見圖4。數(shù)據(jù)采集與分析處理軟件界面見圖5。

圖4 數(shù)據(jù)流程

圖5 數(shù)據(jù)采集與分析處理軟件界面

2.4 水槽系統(tǒng)使用方法

實驗前，用水管向水槽內(nèi)充水，連接好水槽系統(tǒng)，并給系統(tǒng)供電。打開電子計算機、線性執(zhí)行控制器、數(shù)據(jù)采集器、波高儀電源、波高儀控制器、造波控制軟件和數(shù)據(jù)采集與分析處理軟件。

實驗時，在造波控制軟件內(nèi)改變造波搖板運動加速度、減速度、擺幅和周期參數(shù)，或通過程序接口，輸入波能譜函數(shù)和傳遞函數(shù)，控制程序調(diào)試編譯成功后，通過RS232電纜下載到線性執(zhí)行控制器中；數(shù)據(jù)采集與分析處理軟件處于準備采集狀態(tài)；關閉線性執(zhí)行控制器，等待幾秒后重新啟動線性執(zhí)行控制器，此時，在線性執(zhí)行控制器的控制下，線性執(zhí)行器推動造波搖板繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動，擊水生波；然后，令數(shù)據(jù)采集與分析處理軟件采集并記錄波形，開展波浪生成研究。

實驗結(jié)束后，關閉電子計算機、線性執(zhí)行控制器、數(shù)據(jù)采集器、波高儀控制器、波高儀電源、造波控制軟件和數(shù)據(jù)采集與分析處理軟件，用水管將水槽內(nèi)的水泵出。

3 實驗方案

1)規(guī)則波造波能力研究。設定造波搖板的極限擺動幅度、擺動周期、擺動加速度和減速度，采集并記錄規(guī)則波波高、周期極值。

2)不規(guī)則波實驗研究。通過程序接口輸入ISSC譜，開展不規(guī)則波模擬實驗。

3)造波重復性實驗。設定所造規(guī)則波波高H0=20 mm，周期T0=0.5 s，6次重復造波，記錄波高、周期、電耗和用時，分析水槽造波重復性能、能耗和效率。

4 實驗結(jié)果與分析

規(guī)則波造波能力見表1。

表1 規(guī)則波造波能力

由表1可知，該水槽系統(tǒng)所造波浪的波高在8～40 mm之間，周期在0.4～1.6 s之間，水槽系統(tǒng)具備一定的造波能力，其造波能力基本滿足波浪生成研究和實驗教學需要。

利用譜分析程序?qū)Σ杉腎SSC譜波浪時歷進行譜估計，得到不規(guī)則波模擬誤差見表2。

表2 不規(guī)則波模擬誤差 %

表中H1/3為設定有義波高；ΔH1/3為有義波高實測值和設定值之間的差值；TP為設定特征周期；ΔTP為特征周期實測值和設定值之間的差值。

由表2可知，該水槽系統(tǒng)造不規(guī)則波誤差較大，效果不好，可作為一些特殊波的研究平臺。

表3為規(guī)則波重復性實驗數(shù)據(jù)，表中H為實測波高；H0為設定波高；T為實測周期；T0為設定周期。

表3 規(guī)則波重復性實驗數(shù)據(jù)

由表3可知，波高為20 mm，周期為0.5 s時，所造波浪的波高誤差區(qū)間為[-2.0%,1.0%]，周期誤差區(qū)間為[0.2%,2.2%],該水槽系統(tǒng)造波和測量精度較高，能滿足波浪生成研究和實驗教學的基本需要。

表4為規(guī)則波重復性實驗數(shù)據(jù)。

表4 規(guī)則波重復性實驗用時和用電統(tǒng)計

由表4可知，規(guī)則波的6次重復性造波實驗所用時間約為1 800 s，而哈爾濱工程大學船模拖曳水池造波約為5 400 s，規(guī)則波的6次重復性造波實驗所耗電能約為0.5 kW·h，而哈爾濱工程大學船模拖曳水池造波所耗電能約為25 kW·h。該水槽系統(tǒng)進行波浪生成研究和實驗教學時，具有周期短、效率高、能耗低的特點。

5 結(jié)論

1)水槽系統(tǒng)規(guī)則波波高范圍8～40 mm，造波周期為0.4～1.6 s；波高誤差在-2.0%～1.0%之間，周期誤差為0.2%～2.2%；

2)水槽系統(tǒng)不規(guī)則波生成誤差較大，有待于開展后續(xù)研究；

3)水槽系統(tǒng)的重復性較好。

4)水槽系統(tǒng)6次重復性造波耗時共計1 800 s,其中等水時間900 s, 總用電0.5 kW·h。

實驗表明，該水槽系統(tǒng)造波和測量精度高，波浪生成研究和實驗教學周期短、效率高、能耗低，符合波浪生成研究和實驗教學的基本需要，可作為波浪生成研究和實驗教學的基本平臺，具有較高的應用價值。

[1] 楊志國.國內(nèi)外水池造波設備與造波技術的發(fā)展現(xiàn)狀[J].黑龍江科技信息，2003(9)：99.

[2] 田 天．海洋結(jié)構(gòu)物環(huán)境適應性物理模擬研究[D]．大連：大連理工大學，2004.

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[4] 楊志國．船模水池造波系統(tǒng)開發(fā)與造波技術研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工程大學，2002．

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[6] 鄧 勇，王收軍．搖板式造波機的控制系統(tǒng)設計[J]．天津理工大學學報，2005，21(4)：18-20.

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[8] 孫寶元．現(xiàn)代執(zhí)行器技術[M]．長春：吉林大學出版社，2003．

[9] 肖忠祥.數(shù)據(jù)采集原理[M].西安：西北工業(yè)大學出版社，2001．