，， ,

(哈爾濱工程大學(xué) 多體船技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001)

利用水池進(jìn)行波浪生成研究[1]、船舶水動(dòng)力性能研究以及波浪生成教學(xué)工作已經(jīng)比較普及，但是，研究工作需要?jiǎng)佑么笮蛢x器設(shè)備，需要較多的實(shí)驗(yàn)人員，波浪生成能耗大，用時(shí)長(zhǎng)，效率低，不方便進(jìn)行研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)[2-3]。針對(duì)上述問(wèn)題，基于搖板式造波機(jī)生波技術(shù)，設(shè)計(jì)一種波浪生成研究和教學(xué)用水槽系統(tǒng)，利用該水槽系統(tǒng)，進(jìn)行規(guī)則波生成實(shí)驗(yàn)、不規(guī)則波生成實(shí)驗(yàn)、規(guī)則波重復(fù)性實(shí)驗(yàn)，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析水槽系統(tǒng)性能。

1 搖板式造波機(jī)工作原理

搖板式造波機(jī)[4-7]通過(guò)機(jī)械驅(qū)動(dòng)使搖板繞固定轉(zhuǎn)軸擺動(dòng)，搖板在擺動(dòng)過(guò)程中擾動(dòng)水面，使槽中水波動(dòng),見(jiàn)圖1。

圖1 搖板造波示意

波高與造波搖板的擺幅有關(guān)，波浪周期與造波搖板的擺動(dòng)周期有關(guān)。對(duì)于小振幅的線性波，搖板擺幅與波高之間的關(guān)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(shè)計(jì)

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(cè)量、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和消除對(duì)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(jiàn)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(duì)寬敞的整流空間，槽體頂端設(shè)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(shè)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(duì)較大的整流空間，槽體上設(shè)有蓋板，用來(lái)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(duì)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(jī)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(dòng)造波搖板繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)。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(jiàn)圖3。

圖3 造波搖板結(jié)構(gòu)示意

消波網(wǎng)用來(lái)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(zhǎng)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(dòng)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(shí)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(jī)編譯軟件EASI-V和下位機(jī)執(zhí)行軟件。在上位機(jī)集成編譯環(huán)境中使用PARKER自帶語(yǔ)言進(jìn)行參數(shù)設(shè)定，控制線性執(zhí)行器運(yùn)動(dòng)的加速度、減速度、擺幅和周期，或通過(guò)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(guò)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(dòng)PARKER的控制器，下位機(jī)執(zhí)行軟件按照內(nèi)存中的程序來(lái)執(zhí)行所設(shè)定的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)造波搖板的運(yùn)動(dòng)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(cè)量波高精度為0.4%，測(cè)量線性度為0.2%，能夠滿(mǎn)足水槽波浪信號(hào)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(chǔ)存器以及采樣控制和計(jì)算機(jī)通信的全部硬件。外形尺寸：長(zhǎng)×寬×高=320 mm×235 mm×90 mm。波浪生成研究和教學(xué)用水槽系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程見(jiàn)圖4。數(shù)據(jù)采集與分析處理軟件界面見(jiàn)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(shí)驗(yàn)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(kāi)電子計(jì)算機(jī)、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(shí)驗(yàn)時(shí)，在造波控制軟件內(nèi)改變?cè)觳〒u板運(yùn)動(dòng)加速度、減速度、擺幅和周期參數(shù)，或通過(guò)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(guò)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(zhǔn)備采集狀態(tài)；關(guān)閉線性執(zhí)行控制器，等待幾秒后重新啟動(dòng)線性執(zhí)行控制器，此時(shí)，在線性執(zhí)行控制器的控制下，線性執(zhí)行器推動(dòng)造波搖板繞轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，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(kāi)展波浪生成研究。

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉電子計(jì)算機(jī)、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(shí)驗(yàn)方案

1)規(guī)則波造波能力研究。設(shè)定造波搖板的極限擺動(dòng)幅度、擺動(dòng)周期、擺動(dòng)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(shí)驗(yàn)研究。通過(guò)程序接口輸入ISSC譜，開(kāi)展不規(guī)則波模擬實(shí)驗(yàn)。

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

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

規(guī)則波造波能力見(jiàn)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(mǎn)足波浪生成研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要。

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

表2 不規(guī)則波模擬誤差 %

表中H1/3為設(shè)定有義波高；ΔH1/3為有義波高實(shí)測(cè)值和設(shè)定值之間的差值；TP為設(shè)定特征周期；ΔTP為特征周期實(shí)測(cè)值和設(shè)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(tái)。

表3為規(guī)則波重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表中H為實(shí)測(cè)波高；H0為設(shè)定波高；T為實(shí)測(cè)周期；T0為設(shè)定周期。

表3 規(guī)則波重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由表3可知，波高為20 mm，周期為0.5 s時(shí)，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(cè)量精度較高，能滿(mǎn)足波浪生成研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本需要。

表4為規(guī)則波重復(fù)性實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

表4 規(guī)則波重復(fù)性實(shí)驗(yàn)用時(shí)和用電統(tǒng)計(jì)

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

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(kāi)展后續(xù)研究；

3)水槽系統(tǒng)的重復(fù)性較好。

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

實(shí)驗(yàn)表明，該水槽系統(tǒng)造波和測(cè)量精度高，波浪生成研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)周期短、效率高、能耗低，符合波浪生成研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本需要，可作為波浪生成研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的基本平臺(tái)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 楊志國(guó).國(guó)內(nèi)外水池造波設(shè)備與造波技術(shù)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(yīng)性物理模擬研究[D]．大連：大連理工大學(xué)，2004.

[3] 周家寶，張馥桂．試驗(yàn)室內(nèi)造波技術(shù)和造波設(shè)備的討論[J]．水利水運(yùn)科學(xué)研究，1988(4)：115-121.

[4] 楊志國(guó)．船模水池造波系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與造波技術(shù)研究[D]．哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2002．

[5] 席偉光，曹少列．搖板式造波機(jī)的研究與設(shè)計(jì)[J]．武漢交通科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，22(4)：423-425．

[6] 鄧 勇，王收軍．搖板式造波機(jī)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．天津理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2005，21(4)：18-20.

[7] 顧 民，胡啟庸，孫 強(qiáng)，等．具有ARC功能的搖板式造波機(jī)的應(yīng)用研究[J]．船舶力學(xué)，2005，9(4)：46-52.

[8] 孫寶元．現(xiàn)代執(zhí)行器技術(shù)[M]．長(zhǎng)春：吉林大學(xué)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(xué)出版社，2001．