搖板造波機規(guī)則波模擬性能測試

摘 要：搖板造波機采用運動控制器控制，伺服電機和絲杠導軌驅(qū)動，具有體積小、安裝靈活的優(yōu)點。新造波機投入使用前須在測試水池中對其性能進行測試，為物理模型的設(shè)計和比尺選擇提供參考。通過系列試驗，測試了該造波機生成的規(guī)則波的最大波高分布、波面平穩(wěn)度及不同時間段的造波穩(wěn)定性等參數(shù)。測試結(jié)果說明，該造波機能生成的規(guī)則波波峰線平直度理想，周期范圍為0.6～2.5s，在周期為1.2s時生成最大規(guī)則波波高為15.49cm；規(guī)則波波形重復性良好，規(guī)則波波面平穩(wěn)度小于6.5%；生成波浪的時間穩(wěn)定性良好，不同時間段生成波浪的波高誤差小于3%。

關(guān)鍵詞：搖板造波機，規(guī)則波，波高最大值分布，波面平穩(wěn)度，時間穩(wěn)定性

隨著港口工程的不斷發(fā)展，物理模型試驗對造波機的功能和性能提出了越來越高的要求。搖板造波機采用伺服電機和絲杠導軌驅(qū)動，通過搖板式設(shè)計有效縮小了造波機的體積，使其安裝方便、靈活，從很大程度上提高了物理模型試驗的效率。新建造波機投入使用前必須對其性能進行測試，以檢驗造波機的性能，為物理模型試驗的設(shè)計和比尺選擇提供參考。本文對搖板造波機的規(guī)則波模擬性能進行測試。

1 造波機系統(tǒng)簡介[1]

本文測試的造波機采用計算機無線遠程控制，通過運動控制器實現(xiàn)對伺服電機的控制，并由伺服電機驅(qū)動滑塊導軌系統(tǒng)[2]，從而實現(xiàn)推波機構(gòu)的運動以模擬出要求的波浪，推波板總寬度18m，高度0.45m，最大試驗水深40cm，最大擺角范圍-28°～28°。造波機采用380V三相交流電供電，輸出功率大，運動平滑，響應(yīng)快，維護簡單方便。試驗時，通過上位計算機上的控制軟件界面進行控制，操作簡單方便。

該造波機的工作原理如下：造波機工作時，在控制計算機上輸入所需的造波參數(shù)，完成造波控制信號的計算[3]，經(jīng)無線網(wǎng)傳輸?shù)竭\動控制器中，運動控制器將造波控制信號傳輸?shù)剿欧?qū)動器中，由伺服驅(qū)動器控制伺服電動機的轉(zhuǎn)動，電動缸將伺服電動機輸出軸的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換為電動缸推桿的直線運動，并經(jīng)過杠桿機構(gòu)將運動傳遞到推波板使其產(chǎn)生搖擺運動，推波板推水而產(chǎn)生波浪[4]。同時，伺服驅(qū)動器的編碼器經(jīng)接口電路實時反饋至運動控制器以對推波機構(gòu)的運動實時監(jiān)控，如有異常，伺服驅(qū)動器將使伺服電機停止運動并發(fā)送報警信號至運動控制器，再由運動控制器將報警信號發(fā)送至控制計算機上的控制軟件界面。

2 試驗水池及儀器布置

試驗水池長25m，寬25m，深0.6m。港池搖擺可移動式造波機安裝在水池的一端。造波機后布置消波框，能有效防止波浪二次反射，水池末端設(shè)有1：5的塊石斜坡，以吸收多余波浪能量[5]。如圖3所示，從造波機前6m處開始布置共12臺浪高儀，用于采集水池不同位置處的波浪數(shù)據(jù)，浪高儀的編號和間距如圖所示。

3 試驗內(nèi)容及結(jié)果分析

結(jié)合水池深度和造波板高度，試驗水深選用有效水深38cm。試驗波浪分為規(guī)則波。

3.1 波浪時間序列的波峰線平直性

圖2給出了在水池中傳播的典型規(guī)則波列[6]，圖中，橫坐標為時間（s），縱坐標為波高（cm）。由圖中可以看出，波浪時間序列的波峰線是一條直線。本次測試試驗結(jié)果均在保證規(guī)則波形的情況下取得的。

3.2 不同周期的波高最大值分布

通過系列實驗，造波機在本實驗水池可生成的規(guī)則波范圍如圖3。圖中橫坐標為規(guī)則波周期T，縱坐標為對應(yīng)周期下可生成的最大穩(wěn)定規(guī)則波。

3.3 同一波峰線上的波面平穩(wěn)度

波面的平穩(wěn)度采用下式表示，平穩(wěn)度越小表示波面越平穩(wěn)。

（式1）

式中，Si—波面平穩(wěn)度，—第i點的平均波高，H0—目標波高。

表1詳細列出了不同周期時最大波高情況下同一波峰線上的波浪平穩(wěn)度。其中第二排的15#和18#在同一波峰線上，16#和17#在同一波峰線上。

從表1可以看出，各測點在不同周期時的平穩(wěn)度最大為6.5%，造波機生成的規(guī)則波在同一波峰線上的波面大致比較平穩(wěn)，僅在兩側(cè)的邊壁附近由于直墻摩擦導致波形滯后。

3.4 不同時間段的造波穩(wěn)定性

在上午（8：00～12：00）和下午（13：00～18：00）兩個不同時間段，輸入相同參數(shù)進行重復造波試驗，每組重復2遍，對比2次的最大誤差。試驗結(jié)果見表2。

可以看出，該造波機在不同時間段生成的規(guī)則波波高相差不大；在不同時間段內(nèi)兩次重復試驗的波高誤差也相差很小，且均不超過3%。因此，該造波機在不同時間段的對于規(guī)則波的造波性能穩(wěn)定，能夠滿足模型試驗的要求[7]。

4 結(jié)論

該造波機能生成的規(guī)則波時間序列的波峰線平直度理想，周期范圍為0.6～2.5s，在周期為1.2s時可生成最大規(guī)則波波高，最大波高為15.49cm；規(guī)則波波形重復性良好，規(guī)則波波面平穩(wěn)度小于6.5%；不同時間段時間生成波浪的穩(wěn)定性良好，生成波浪的波高誤差小于3%。能夠滿足物理模型試驗的要求。

試驗前，應(yīng)參考造波機模擬規(guī)則波時的上述特性設(shè)計好模型并選擇合理的比尺，以充分發(fā)揮造波機的效能，從而保證物理模型試驗的質(zhì)量和效率。

參考文獻：

[1]張瑞波.港工波浪模擬設(shè)備的研究[D].天津：天津理工大學，2008.

[2]張瑞波，王收軍，朱國良. 伺服電機驅(qū)動式水槽造波機系統(tǒng)設(shè)計[J].機械設(shè)計，2007（10）：40-43.

[3]王宇晗，鐘勝波，胡俊.電動造波機控制系統(tǒng)的研究[J].上海交通大學學報，2005（01）：134-137.

[4]鄧勇，王收軍.搖板式造波機的控制系統(tǒng)設(shè)計[J].天津理工大學學報，2005（04）：18-20.

[5]楊志國.搖板式造波機性能實驗研究[J].應(yīng)用科技，2004（08）：11-13.

[6]吳宋仁，嚴以新.海岸動力學[M].北京：人民交通出版社，2008：5-44.

[7]中華人民共和國交通部. JTJ/T234-2001.波浪模型試驗規(guī)程[S].北京：人民交通出版社，2001.

作者簡介：張瑞波（1982-），男，河北人，助理研究員，主要從事海岸河口試驗設(shè)備、泥沙運動特性及淤積方面研究。