海洋及流体测控实验装置的设计*

李政清，葛泽波，杨泽华，符永福，孙塑埴

(三亚学院，海南 三亚 570200)

0 前言

波浪能资源大多分布在我国的沿海地区，研究开发波浪能可为缓解我国沿海地区能源短缺提供一条新的途径。波浪能属于取之不尽，用之不竭的清洁能源，波浪能的大规模利用，可以缓解我国常规能源紧缺，降低温室气体排放。在海洋开发过程中，波浪能是包括常规能源在内的所有能源中最廉价的能源也是海洋能种分布最广泛的能源，发展波浪能，还可以促进我国的海洋事业的开发。

点吸式波浪能发电机是各国公认的最好的形式之一。设计一种点吸式波浪能发电装置的实验平台，与传统的波浪能模拟实验发电装置相比，可模拟较高幅值的浪高和较宽范围的波浪周期，通过设计实验室造波机来实现波浪能发电与流体测控控制功能，在试验水池中造出不同波长和波高的波浪，模拟实际波浪对波浪能发电的影响，以测定各种技术数据，为相关设计提供依据。大大缩短了波浪能电站的研发周期，降低了研发成本[1]。

1 设计思路

1.1 波浪理论的基本方程及边界条件

图1表示在海底平坦，光滑，静水深度为d的海域向前传播的波浪，设波浪传播方向为x正向，垂直向上方向为z正向，坐标原点位于静水面上假设流体为理想流体，且不可压缩。此外，还假定波浪在传播过程中保持其形态不变[2]，无下面海流，其运动是二维的。

图1 二维波浪示意图

1.2 波浪能能级

波浪力大小(或波浪能的能级)主要取决于：波高H和周期T。通常，波浪能的大小和波高的平方值波浪周期的一次方成正比，即波高H，周期T和lm波前功率的关系可表达为[3]：P=H2×T。

根据上述公式，波浪能的大小取决于波高H与周期T，为了简便设计过程，忽略波浪其他因素，用规则波简化设计内容，模拟波浪的运动。设有n+1个水槽 (n=0，1，2…) ，组成一个单元阵列，已知模拟波浪的浪高H和周期T，相邻水槽液面的相位差为π/2，则：

第一个水槽的液面高度方程为：

第二个水槽的液面高度方程为：

第n个水槽的液面高度方程为：

将一列等距n+1个水槽按照上述方程运动并将液面连线，就会得到一个波高为H，周期为T的波浪运动正弦曲线。

2 系统设计

在水槽组合中，以相位差为π的两个水槽为一组，将这两个水槽用管道和水泵连通，按照差动升降的运动方式使其液面做升降运动，这样不仅模拟了波浪运动，而且大大节约了水泵的功率。水槽内可以设计浮子，浮子随着水槽液位的升降运动而上下震荡，这样一列水槽正好可以完成点吸式，特别是震荡浮子式波浪能转换装置的实验，成为一种很好的波浪能电站设计实验平台，阵列水槽如图2所示。

图2 阵列水槽立面图

图3是海洋及流体测控实验装置总图。用水泵作为动力，电磁阀控制水流的方向和速度，驱动液体槽中的液体和波浪动力浮子运动，同时可以观测浮子的运动情况。从而模拟海洋波浪能能量转换规律。

图3 阵列水槽及发电装置总体设计框图

水槽控制采用模拟正弦波造浪方式，可同时体现海浪的各个阶段，结构每两组水槽为一个循环单位。1、5号水槽相位相差π，共用一个水泵，通过换向阀形成正反向波浪， 1、5水槽启动后，经过2π/8(4 s)后启动2、6号水槽；再经过4 s启动3、7号水槽；再经过4 s启动4、10号水槽，形成八槽波浪能振荡浮子发电系统。实现分组启动四组联动运行，每相邻两组相位差为π/4总体形成近似正弦波运动。采用PLC控制整体系统，通过电磁阀控制管路中流体走向。由于水量不变，两个水槽水位一个上升，另一个必然降，相位相差180°。水位上升、下降的方向由电磁阀控制，水位升降速度由变量泵控制，泵的转速由PLC软件设定参数控制变频器驱动，因而该系统可以按照预定的设计运动。为了调试维修方便本控制系统设计手动控制和自动控制两套功能。当手动调试完成可切换为自动控制运行，即正常工作状态。

手动控制过程如下：1、5号水槽启动：启动前两只水槽水位平衡，各有半槽水。转换开关扳向手动，按SB5启动按钮，电磁阀继电器1-1、1-3接通自锁，然后按SB1启动1号水泵，水流从5号水槽流向水槽1，观看1号水槽浮子到顶(5号水槽浮子到底)，立即强制按下SB6，1-2、1-4阀接通(同时自动切断电磁阀1-1、1-3)，定时器T6开始定时(1、5号水槽手动启动过程结束)，水流反向从1号水槽流向5号水槽，二分之一周期后，T6定时时间到(1号水槽浮子到底、5号水槽浮子到顶)，T6常开触头自动接通电磁阀1-1、1-3(自动切断电磁阀1-2、1-4)，水流正向从5号水槽流向1号水槽，不断反复，周期工作。1、5号水槽启动后四分之一周期，重复上述过程启动2、6水槽系统，再过四分之一周期启动3、7水槽系统，再过四分之一周期启动4、8水槽。

当手动控制调试完毕可正常运行后，需迅速切换为自动控制，以保证水槽液柱按照预定运动轨迹运动，自控电路选用多路PLC控制平台完成整体管路各阀门以及水泵控制，正常工作后无需人为干预，并设置了液位警戒急停程序来保证紧急情况下的自动停机。

3 波及浮子运动曲线模拟

透明水槽的整体高度为2 m，由于装置的设计，有效高度为1.6 m；而浮子的高度设计为300 mm、直径为350 mm，因此整个浮子在运动过程中有效范围为1.3 m。因为开关量的客观因素，所以波的运动轨迹接近三角波，整个运动周期经过实际测量为32 s。而浮子由于自身的高度300 mm，无论在水槽底端还是运动到最上端，它的高度在极限状态下都处在500 mm处，并且当它在最低端与最高端都有停顿的一段时间，具体为6 s。所以波和浮子的运动曲线图如图4所示(两个周期)。

图4 水槽波及浮子运动曲线图

浮子运动速度曲线如图5所示。

图5 浮子运动平均速度曲线

4 结论

设计也可作为流体测控实验平台的研究，可测控参数多，对每一种参数测控采用不同的检测仪器，接口一致，便于调节，更换灵活。流体流量测控功能：可用电磁流量计实现电磁式测控、用超声波流量计实现声学式检测、用科里奥利质量流量传感器实现质量流量检测等。液位测控功能：可用浮力式液位计、静压式液位传感器、光电式液位传感器、雷达探测液位计做流体流动特征雷诺数的观察与实验等。因而本装置也可完成流体测控、仪器的检测与标定，流体力学实验、培训、教学等功能。与传统的测控实验装置相比，可安装多种测控实验传感器，大大减少了成本，而且设备简单，操作方便，可以移动，可以多种组合。

[1] 闻福三，伍时和，吴乐贤.波浪能振荡浮子转换方式实验装置的研究与设计[J].海岸工程，2016，35(1)：1-15.

[2] 范佰明.深海立管的疲劳寿命预报方法[D].镇江：江苏科技大学，2008.

[3] 周道良.多节漂浮式波浪发电装置的实验研究[D].大连：大连海事大学，2011.