小型室内水槽造波造风系统设计

官 晟，王岩峰 ，黄振兴 ，高军伟

（1.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266071；2.青岛大学自动化工程学院，山东 青岛 266071）

小型室内水槽造波造风系统设计

官 晟1，王岩峰1，黄振兴2，高军伟2

（1.国家海洋局第一海洋研究所，山东 青岛 266071；2.青岛大学自动化工程学院，山东 青岛 266071）

小型室内风浪水槽是海气界面多种微尺度过程实验研究的基础设施。造风造波系统是风浪水槽的核心部分。针对多种微尺度过程模拟的需要，设计了造风造波系统的硬件结构与控制软件。利用该系统，开展了多种造波、造风实验。通过对实验数据的分析，证明该设计满足各项预定指标，可以有效模拟多种海气界面风浪环境。

风浪水槽；摇板式造波机；labVIEW ；伺服系统；运动控制器

海气相互作用对天气和气候的影响深远，已成为大气科学和海洋科学中重要的课题。但海气相互作用中许多微尺度过程具有典型的间歇性湍流运动特征，观测难度较大。因此利用室内风浪水槽对多种微尺度过程进行模拟，在此基础上开展实验室观测是海气相互作用研究中的一个重要方法。

为模拟包括微尺度波浪的形成及破碎过程；界面的能量传输；海水表层的物质输运过程；界面和水体内部的湍流混合过程等微尺度过程，室内风浪水槽需要具备可预置参数、可编程的自动造风、造波功能，实时提供水槽风浪参数，并且能为海面微结构光学测量装置、微尺度动力过程光学测量装置（PIV和LIF）、红外热像系统、声学多普勒流速仪（ADV）等试验设备，提供多种可组装的、可精密调节的光学及电子设备平台及窗口。其中，造风造波系统无疑是小型室内风浪水槽的核心组成部分，也是此类系统的研究重点。

1 造风造波系统技术背景与参数设计

作为一种重要的研究平台，国内外很多海洋、水利、水下工程的研究机构修建了多种应用于仿真实验研究的室内风浪水槽。

1932年，美国海滩侵蚀管委会就建筑了世界第一台规则波造波水槽。1957年，荷兰的瓦格宁根造波水池正式交付使用，该造波水池是世界上最早的一个耐波性水池，水池长宽深分别为100 m、24.5 m和2.5 m，该造波机的造波结构为摇板式蛇形结构，能够产生的波浪波长范围是1.5～6 m。1958年，美国的泰勒矩形水池建造完成，水池主体长宽深分别为110 m、73 m和6 m，该造波机的造波结构为气动式造波结构，能够产生的波浪波长范围为0.92～12.2 m，波浪的波高范围为0.01～0.06 m，该造波机也可造短峰波及长峰不规则波。1962年，英国的哈斯拉水池也建造完成并投入使用，该造波机的造波结构为冲箱式造波机，能够模拟长峰规则波和不规则波。德国汉堡大学风浪水槽长26 m、宽1 m，平均水深0.5 m。造风速度范围1.5～25 m/s，推板式机械造波频率范围0.7～2.5 Hz，水槽远端设有消波装置[1]。法国马赛无线电与电子研究所大型风浪水槽长40 m，宽2.6 m，平均水深1 m。设有长40 m，宽3.2 m，深1.6 m的封闭风道，风速最高可达14 m/s，电脑控制机械造波频率范围0.5～2 Hz。

我国对于水池造波设备及其理论方面的研究起步比较晚。20世纪80年代初，南京水利科学研究院成功的研制出国内第一台不规则波造波机[2]。1986年，大连理工大学研制的低惯性伺服电机驱动式水槽造波机投入运行。该海洋环境水槽长50 m，宽3 m，深1 m，最大工作水深0.7 m。由造波板、液压伺服动作器、液压泵站、伺服放大器、A/D与D/A接口及计算机等硬件部分和控制分析软件组成。该水槽选用推板式造波方案，由液压伺服系统提供运动能量。可以造规则波和不规则波[3]。中国海洋大学大型风-浪-流水槽通过风机、造波机、流机，在封闭的管道中形成人工的风、浪、流，构建一个模拟海面实际情况的背景环境，进行多种模拟实验。水槽长65 m，宽1.2 m，高1.5 m；最大水深1 m[4]。可造风速范围 1.5～14 m/s；流速范围 0～0.4 m/s；随机机械造波机可造0.4 m内的规则波或给定谱形的随机波。另有二维内波水槽和三维内波水槽，均配备有钽丝波面测量装置；声学多普勒测速仪（ADV）；粒子成像测速仪（PIV）；风速测量装置（热线风速仪、皮托管、风杯）等。浙江省水利河口研究院波流风水槽由波流水槽、造波机系统、流场模拟系统及风模拟系统组成。水槽长70 m，宽为1.2 m，高为1.7 m，主要开展河流泥沙输运模拟研究[5]。

随着国内大型风浪水槽的建设，相关技术也在不断进步。但目前这些大型水槽使用成本都较高。国内目前还没有能实现规则波模拟、简单的不规则波模拟以及风浪的模拟，专门与海气界面微尺度过程观测相配套的小型风浪水槽。

作为风浪水槽功能实现的核心部分，造风、造波系统涉及到海洋物理学、造波理论、自动控制、运动控制技术、计算机应用技术、电力电子技术、传感技术等多种学科。制约造波技术发展的一个重要因素就是造波系统执行机构运动的随机控制和造波波浪的数据采集和处理。随着计算机应用技术、自动控制理论和伺服运动控制技术的发展，高性能控制器能够对造波板的运动控制更加灵活、准确[6]；控制信号的数字化，可对运动机构进行调幅、调频，从而简化了规则波和不规则波的产生。目前，造波方式仍以机械式造波为主，即通过造波部件的机械运动对水池中的水体进行扰动来激起波浪。造波机的形式主要有摇板式造波机、推板式造波机、冲箱式造波机、气动式造波机等[7]。其中，应用最广泛的是摇板式和推板式两种。这两种造波机具有结构简单、控制方便、维护简便的优点。

以海气界面观测实景为目标，以目前国内外相关系统技术方案及指标为参考，结合水槽建设场地、环境等客观条件限制，确定造风、造波系统主要参数如下：

（1）水槽尺寸为5 m×1 m×0.5 m，采用直长水槽结构，安装尺寸满足实验室空间7 m×6 m×3 m要求；

（2）风浪水槽主体为玻璃水槽，水槽有效测量段下方开有光学窗口；

（3）造波波长范围0.05～1.5 m,最大波高不小于0.2 m；波谱类型包括Pierson-Moskowitz谱、JONSWAP谱和Neuman谱，可自定义波谱；造波重复性误差小于2%，有消波功能；

（4）造风最大风速不低于15.0 m/s，风速均匀，在观测段内变化不超过±0.3 m/s。

2 造风造波系统结构设计

2.1 造波系统设计

由于摇板式造波机有摇板小、结构简单及便于实时控制等优点，考虑到造波机水槽尺寸的要求及现场应用情况，因此，选用与国外先进的造波机相同的摇板造波方式。摇板式造波机就是通过机械驱动令摇板绕固定轴摆动，使池中水波动。其原理示意图如图1所示。

图1 摇板造波机示意图

摇板造波系统主要由驱动电机、线性模组（滚珠丝杠）、摇板等组成。目前运动控制系统按驱动方式不同，可分为电气控制、液压控制和气动控制。经过比较分析各种控制系统的经济性和控制精度，选用交流伺服电机驱动和运动控制卡内嵌于PC机的控制方式。上位机为工控机，主要完成各种波谱数据的计算、控制命令的发送、试验数据采集处理以及对造波机运行状况的监控；下位机为内嵌的NI4轴运动运动控制卡PCI-7390。伺服系统选用三菱公司生产的可与PCI-7390直接兼容的MR-J2S-70A驱动器和超低惯量中容量的HC-RP-103交流伺服电机。执行机构包括伺服电机和将旋转运动转换为直线运动的机械传动装置(线性模组)。

图2 造风系统示意图

为了运动控制的需要及摇板造波的安全，在滚珠丝杠的中间位置，安装检测原点的传感器，在滚珠丝杠两头加装两套保护措施，即光电开关和行程开关。原点传感器信号接入运动控制卡的Home输入端子，作为摇板的平衡位置检测输入信号。光电开关位于行程开关内侧，直接连接至运动控制卡的左右限位开关输入端子，作为原点复位时的换向信号。行程开关位于光电开关外侧，起摇板运行超限停机保护作用。

2.2 造风系统设计

在水槽顶部加盖密封盖板，构成风罩，与玻璃水槽共同形成一体化风道。为使水槽内风场分布均匀，在水槽尾部安装轴流风机，以抽风的方式在水槽内造风。在水槽前端靠近摇板处安装进风口，在进风口的下端安装可调仰角导风板，便于对风向进行微调。造风系统结构示意图如图2所示。

根据设计最大风速的要求，对风机功率进行计算选型。

风速：V=15 m/s

风道截面积：F=l*h=1*0.2=0.2 m2

风量计算：Q=V*F=15*0.2=3 m3/s=10 800 m3/h

风机动压：Pd=0.5*ρ*V2=15*1.237*152=139 Pa

风机静压：Pst=L*f=10*10 Pa=100 Pa

风机全压：P=Pst+Pd=239 Pa

风机功率计算：

P=1.15*Q*P/（3600*1000*η）

=1.15*10800*239/（3600*1000*0.75）

≈1.1 kW

根据风机选型手册，由计算数据留取一定域量，选取低噪声节能大流量轴流风机，参数如表1。

表1 风机参数表

为实现风速可调，选择三菱FR-F700系列2.2 kW的变频器控制风机。三菱FR-F700通用变频器最适合风机、泵类负载使用，内置噪声滤波器，并带有浪涌电流吸收回路，具有先进的寿命診断及预警功能，操作维护简单。

2.3 传感器系统设计

为了构成摇板造波的闭环控制，在摇板前安装有两个浪高仪，实时检测波面高度。为实现风速的无级自动调节闭环控制，在水槽试验段前后两侧各放置一个热膜风速传感器，实时测量风道内的风速。

2.4 消波系统设计

由于水槽尺寸限制，试验段和消波段相距很近，若要避免反射波对测量段的干扰，必须在水槽的另一端采取有效地消波方法。经过大量理论分析和现场试验，最终采用波浪海绵消波结构，并在消波板下堆放钢丝球，增加消波效果。

3 造风造波系统控制软件设计

3.1 总体设计

造风造波系统控制软件总体框图如图3所示。

图3 控制软件总体框图

3.2 摇板造波程序设计

摇板造波控制系统采用双闭环结构。运动控制卡通过伺服驱动器控制电机，读取伺服电机位置编码器构成系统内环。上位机控制程序将浪高仪测量的实时波高数据与给定值比较，控制输出，构成系统外环。程序框图如图4所示。

图4 摇板造波程序框图

规则波造波程序的实现包括设备的复位、参数的设置、摇幅及控制数据的计算。设备复位，即摇板原点复位。每次启动程序前，需要判断当摇板是否位于丝杠中间的原点位置，防止摇板运行时行程超限。规则波输入参数为水深、波浪周期及波高。计算程序根据摇板摇幅和波高之间的关系，计算造波机的摇幅，得到摇板运动目标谱，并将连续的目标谱离散化，得到控制伺服电机运行的离散速度序列。在造波过程中，通过实时分段改变伺服电机的速度实现摇板的周期性变速运动。

造不规则波时，首先也需要执行摇板复位子程序。然后读取前面板设定的参数，进行不规则波频谱的模拟再现。在程序进入正式造波之前，计算程序模块先进行频谱计算，并将目标频谱转换为时域摇板运动目标谱，进而计算得到伺服电机的控制数据。

3.3 造风控制程序设计

造风控制系统主要有两大功能，造风和定速反转。造风即风机在正常情况工作时都处于抽风状态，并且可以根据需要实时地改变风速。定速反转为维护维修等特殊情况下需要风机工作在吹风状态，其风速为预先设定的一个固定值。

风速的闭环控制采用的是经典控制理论PID控制算法。造风控制系统框图如图5所示。

图5 造风控制系统框图

造风时，先输入造风时间及风速设定值，计算机根据设定风速与风速仪测量得到的实际风速比较后采用PID算法，计算出相应的数字信号输出值，经多功能数据采集卡进行D/A转换为模拟信号量。通过变频器改变风机电源频率来改变风机转速，实现风速的闭环控制。

由于风机反转只有在维护维修时偶尔使用，对风速精度没有严格的控制要求，对风速采用开环控制，即通过控制变频器使风机工作在一个稳定频率即可。

3.4 人机界面设计

LabVIEW提供很多外观与传统仪器如示波器、仪表盘等类似的控件，可用来方便地创建用户界面。前面板的控件基本分为输入控件和显示控件两大类，它们分别是VI的交互式输入输出端口。当使用LabVIEW程序框图编程时，虚拟控件可以在前面板自动产生用户界面，大大缩短了用户开发界面的时间。

该控制系统界面组态了登录界面、系统界面、风机界面、伺服界面、报警界面、数据查询界面及波形数据查询界面。除使用LabVIEW软件直接提供的输入输出控件组态基本画面外，还通过自定义输入输出控件实现了摇板运动动画、风速动画及波浪动画的模拟，提高了系统的可读性和趣味性。

4 实验与结论

4.1 规则波测试

规则波测试部分数据列举如图6所示。

测试数据分析如表2所示。

表2 规则波测试结果分析

图6 规则波测试

图7 P-M谱测试（h=0.3 m，H1/3=0.06 m）

表3 不规则谱测试

实测波高模拟误差≤4%，周期模拟误差＜4%，满足试验时对规则波模拟的精度要求。

4.2 不规则波测试

对不规则波的各种波谱进行了测试，以P-M谱的测试结果为例，如图7所示。

对主要几种不规则波的波谱进行了测试，结果如表3所示。

结果表明，各项指标均满足不规则波模拟的精度要求。

5 结论

实践证明，安装于室内的小型风浪水槽造波机，不仅能够通过摇板造波实现规则波与不规则波的模拟，而且能够通过造风实现水面毛细波等微幅波的模拟，实现了造风造波和机械式造波的一体化。小型风浪水槽造波机的设计完成了综合性水文试验平台的搭建，能够较好地模拟实际海洋环境中海气界面微尺度过程，为研究海气相互作用提供方便的试验平台。

[1]Martin Gade,Werner Alpers,et al.Wind wave tank measurements ofwave damping and radar cross sections in the presence ofmonomolecular surface films[J].Geophysical Research,1998,103(C2)：3167-3178.

[2]王崇贤.二维波浪水槽造波控制系统研究［D］.天津：天津大学，2005.

[3]张群,李木国，等.海洋环境水槽液压伺服造波机系统[J].中国海洋平台,2002,8：20-22.

[4]孙龙,吕红民，等.高频波浪的测量与谱分析[J].海洋通报,2008,27(6)：9-14.

[5]王立忠,潘冬子，等.波浪对海床作用的试验研究[J].土木工程学报,2007,40(9)：101-109.

[6]蒋仕龙.今天的通用运动控制技术[J].现代制造，2004，29：38-40.

[7]杨志国.国内外水池造波设备与造波技术的发展现状[J].黑龙江科技信息，2003,9：97-99.

Design of Wind-Wave Making System for A Small Indoor Flume

GUAN Sheng1,WANG Yan-feng1,HUANG Zhen-xing2,GAO Jun-wei2
(1.The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao Shandong 266071,China;2.College of Automation Engineering,Qingdao University,Qingdao Shandong 266071,China)

The small indoor flume is the basis facility of the experimental research for many microscale processes of air-ocean interface.The wind-wave making system is the core of the flume.To meet the requirement of various micro-scale processes simulation,a wind-wave making system is designed.Through many experiments,the designed system is proven to be suitable for the planed index and capable of simulating a variety of wind and wave environment of air-ocean interface efficiently.

wind-wave flume;shake-flap wave maker;labVIEW;servo system;motion controller

TP273

B

1003-2029（2011）04-0006-05

2011-06-03

国家自然科学基金资助项目（41076062）；中央级科学事业单位修缮购置专项“海气界面微尺度过程光学探测实验系统”资助

官晟（1972-），男，高级工程师，研究方向为海洋物理应用技术。