波浪生成研究和实验教学用水槽系统设计

2012-01-22，，,

船海工程 2012年4期

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(哈尔滨工程大学多体船技术国防重点学科实验室，哈尔滨 150001)

利用水池进行波浪生成研究[1]、船舶水动力性能研究以及波浪生成教学工作已经比较普及，但是，研究工作需要动用大型仪器设备，需要较多的实验人员，波浪生成能耗大，用时长，效率低，不方便进行研究和实验教学[2-3]。针对上述问题，基于摇板式造波机生波技术，设计一种波浪生成研究和教学用水槽系统，利用该水槽系统，进行规则波生成实验、不规则波生成实验、规则波重复性实验，并根据实验结果分析水槽系统性能。

1 摇板式造波机工作原理

摇板式造波机[4-7]通过机械驱动使摇板绕固定转轴摆动，摇板在摆动过程中扰动水面，使槽中水波动,见图1。

图1 摇板造波示意

波高与造波摇板的摆幅有关，波浪周期与造波摇板的摆动周期有关。对于小振幅的线性波，摇板摆幅与波高之间的关系为

H=2Me

(1)

式中：M——系数，

(2)

其中：k0——波数，由ω2-k0gthk0d=0确定，ω为波浪的圆频率。

2 水槽系统设计

2.1 槽体部分

槽体部分结构主要从波浪生成、波浪观察、波浪参数测量、结构强度和消除对波浪干扰等方面考虑，主要包括首槽体、可视段槽体、消波网、造波摇板、连通管和尾槽体，结构形式见图2。

图2 槽体部分结构示意

首槽体采用角钢骨架结构，钢板壁面，具有相对宽敞的整流空间，槽体顶端设有盖板，用于安装线性执行器；可视段槽体采用角钢骨架结构，玻璃壁面，方便波浪的生成观察，横向设有4根角钢骨架，玻璃为透明钢化玻璃；尾槽体采用角钢骨架结构，钢板壁面，具有相对较大的整流空间，槽体上设有盖板，用来防止水飞溅；连通管位于可视段槽体下方，首槽体和尾槽体之间，保证了水槽内水的连通，并对消除槽端干扰起到一定作用，连通管为钢质材料。

水槽系统采用摇板造波，板体材料为有机硬塑料。造波摇板下端固连有轴套，轴套与转轴相连，线性执行器推动造波摇板绕转轴转动。转轴为钢质材料，距槽底一定距离。造波摇板结构见图3。

图3 造波摇板结构示意

消波网用来消除反射波干扰，采用铝框架矩形箱体结构，宽度与水槽可视段槽体相等。铝框架在四周和底部布消波网，内部不规则堆网，网面材料为直径0.2 mm的尼龙丝，正方形网孔边长为0.5 mm，铝框架和消波网形成的矩形箱体挂于可视造波段末端。槽体部分是波生成的载体空间，造波摇板绕转轴摇动击水，生成波浪，波浪从槽首造波摇板处经可视造波段传向槽端消波装置和尾槽体，在槽端经消波网消波和尾槽体整流作用后，经连通管再次整流并实现弱流循环。

2.2 造波控制子系统

造波控制子系统包括线性执行器、线性执行控制器、造波控制软件。

线性执行器和线性执行控制器[8]采用PARKER线性执行器和线性执行控制器，工作功率和电压为500 W和220 V。

造波控制软件由两部分组成。上位机编译软件EASI-V和下位机执行软件。在上位机集成编译环境中使用PARKER自带语言进行参数设定，控制线性执行器运动的加速度、减速度、摆幅和周期，或通过程序接口，输入波能谱函数和传递函数，控制程序调试编译成功后，再通过RS232电缆下载到PARKER线性执行器的控制器内存中。重新启动PARKER的控制器，下位机执行软件按照内存中的程序来执行所设定的运动，实现对造波摇板的运动控制。

2.3 波浪参数采集与分析处理子系统

波浪参数采集与分析处理子系统[9]包括波高仪传感器、波高仪控制器、数据采集器和数据采集软件。波高仪采用加拿大RBR公司的WG-50电容式波高仪，由波高仪传感器、波高仪控制器、波高仪电源组成，供电电压12 V。波高仪测量波高精度为0.4%，测量线性度为0.2%，能够满足水槽波浪信号采集需要。数据采集使用东华DH5922数据采集器，其硬件组成包括: 直流电压放大器、抗混滤波器、A/D转换器、缓冲储存器以及采样控制和计算机通信的全部硬件。外形尺寸：长×宽×高=320 mm×235 mm×90 mm。波浪生成研究和教学用水槽系统数据流程见图4。数据采集与分析处理软件界面见图5。

图4 数据流程

图5 数据采集与分析处理软件界面

2.4 水槽系统使用方法

实验前，用水管向水槽内充水，连接好水槽系统，并给系统供电。打开电子计算机、线性执行控制器、数据采集器、波高仪电源、波高仪控制器、造波控制软件和数据采集与分析处理软件。

实验时，在造波控制软件内改变造波摇板运动加速度、减速度、摆幅和周期参数，或通过程序接口，输入波能谱函数和传递函数，控制程序调试编译成功后，通过RS232电缆下载到线性执行控制器中；数据采集与分析处理软件处于准备采集状态；关闭线性执行控制器，等待几秒后重新启动线性执行控制器，此时，在线性执行控制器的控制下，线性执行器推动造波摇板绕转轴转动，击水生波；然后，令数据采集与分析处理软件采集并记录波形，开展波浪生成研究。

实验结束后，关闭电子计算机、线性执行控制器、数据采集器、波高仪控制器、波高仪电源、造波控制软件和数据采集与分析处理软件，用水管将水槽内的水泵出。

3 实验方案

1)规则波造波能力研究。设定造波摇板的极限摆动幅度、摆动周期、摆动加速度和减速度，采集并记录规则波波高、周期极值。

2)不规则波实验研究。通过程序接口输入ISSC谱，开展不规则波模拟实验。

3)造波重复性实验。设定所造规则波波高H0=20 mm，周期T0=0.5 s，6次重复造波，记录波高、周期、电耗和用时，分析水槽造波重复性能、能耗和效率。

4 实验结果与分析

规则波造波能力见表1。

表1 规则波造波能力

由表1可知，该水槽系统所造波浪的波高在8～40 mm之间，周期在0.4～1.6 s之间，水槽系统具备一定的造波能力，其造波能力基本满足波浪生成研究和实验教学需要。

利用谱分析程序对采集的ISSC谱波浪时历进行谱估计，得到不规则波模拟误差见表2。

表2 不规则波模拟误差 %

表中H1/3为设定有义波高；ΔH1/3为有义波高实测值和设定值之间的差值；TP为设定特征周期；ΔTP为特征周期实测值和设定值之间的差值。

由表2可知，该水槽系统造不规则波误差较大，效果不好，可作为一些特殊波的研究平台。

表3为规则波重复性实验数据，表中H为实测波高；H0为设定波高；T为实测周期；T0为设定周期。

表3 规则波重复性实验数据

由表3可知，波高为20 mm，周期为0.5 s时，所造波浪的波高误差区间为[-2.0%,1.0%]，周期误差区间为[0.2%,2.2%],该水槽系统造波和测量精度较高，能满足波浪生成研究和实验教学的基本需要。

表4为规则波重复性实验数据。

表4 规则波重复性实验用时和用电统计

由表4可知，规则波的6次重复性造波实验所用时间约为1 800 s，而哈尔滨工程大学船模拖曳水池造波约为5 400 s，规则波的6次重复性造波实验所耗电能约为0.5 kW·h，而哈尔滨工程大学船模拖曳水池造波所耗电能约为25 kW·h。该水槽系统进行波浪生成研究和实验教学时，具有周期短、效率高、能耗低的特点。