劉澤勤，于永杰

(天津商業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300134)

能源與環(huán)境已成為當(dāng)前學(xué)術(shù)界研究的兩大熱點(diǎn)課題，海洋作為可再生能源，具有無污染、可再生、總體蘊(yùn)藏量大的特點(diǎn)，是一種潛力很大的清潔能源[1]。在實(shí)驗(yàn)室建立不同的造波水槽或水池以生成規(guī)則波、不規(guī)則波以及有特殊要求的波，驗(yàn)證波浪發(fā)電研究過程中的數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性已然成為波浪發(fā)電研究的重要內(nèi)容之一。造波機(jī)是模擬實(shí)驗(yàn)水槽產(chǎn)生波浪的重要動力裝置[2]，其性能直接影響到所造波的質(zhì)量，對波浪發(fā)電的研究具有實(shí)際意義。

Yi Liu等[3]提出了一種利用數(shù)字旋轉(zhuǎn)閥控制的簡單推波式波浪產(chǎn)生方法，該方法可以方便地產(chǎn)生不同規(guī)則波。Heng Lu等[4]建立非線性和色散數(shù)值模型來模擬波浪水池，通過與實(shí)驗(yàn)測量的比較，驗(yàn)證數(shù)值模型具有較高的可靠性。Nan-Jing Wu等[5]利用活塞造波機(jī)在波浪水槽中產(chǎn)生孤立波，驗(yàn)證了產(chǎn)生孤立波的穩(wěn)定性。費(fèi)宇庭[6]運(yùn)用數(shù)學(xué)物理方程與特殊函數(shù)中處理偏微分方程的方法，設(shè)計(jì)出了一套功能完善的造波機(jī)控制軟件。陳俊華等[7]基于體積不變原則，推導(dǎo)得到新的搖板造波傳遞函數(shù)。季念迎等[8]基于Fluent軟件結(jié)合實(shí)驗(yàn)對搖板式造波深入研究，結(jié)果表明，在相同運(yùn)動幅度下，造波板運(yùn)動頻率越高，所形成波浪的周期越短，波高越小。尹闊[9]通過模擬分析推導(dǎo)確定了搖擺造波和平推造波多重邊界條件，為設(shè)計(jì)組合式造波機(jī)提供理論基礎(chǔ)。田野[10]基于模擬實(shí)驗(yàn)水的實(shí)際情況，分析了現(xiàn)有波高公式的局限性，并基于體積不變的假設(shè)，推導(dǎo)了適用于試驗(yàn)水池的淺水搖板造波公式。王丁一等[11]基于倍福TwinCAT對搖板式造波控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，實(shí)驗(yàn)表明該控制系統(tǒng)具有良好的頻響特性。

本課題結(jié)合已有研究成果，基于多功能波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)臺，考慮到該實(shí)驗(yàn)臺結(jié)構(gòu)形式和可變參數(shù)較為單一及實(shí)驗(yàn)過程注水、放水時(shí)間過長，每次實(shí)驗(yàn)會對水資源造成大量的浪費(fèi)，重新設(shè)計(jì)搭建了一種整體可升降搖板式造波裝置，該裝置組裝拆卸方便，并配合蝸輪蝸桿、齒輪齒條等結(jié)構(gòu)有效實(shí)現(xiàn)了造波裝置的升降與自鎖，在有限實(shí)驗(yàn)水池水深的條件下可以快速調(diào)節(jié)搖板浸水深度，提高了模擬波浪的真實(shí)性、穩(wěn)定性和可重復(fù)性，能夠充分發(fā)揮小型實(shí)驗(yàn)水槽的功能，提高實(shí)驗(yàn)效率。并針對該裝置開展實(shí)驗(yàn)研究，探究了搖板浸水深度、搖擺角度、搖板擺動角速度等變量參數(shù)對產(chǎn)生波高的影響規(guī)律，為實(shí)驗(yàn)室水槽波浪研究及波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)研究提供優(yōu)化方案和技術(shù)支持。

1 波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)臺

在本課題研究中，實(shí)驗(yàn)室水槽設(shè)置為一個(gè)封閉的空間，并假設(shè)流體不可壓縮、無粘性、無旋運(yùn)動，在實(shí)驗(yàn)中驅(qū)動裝置通過連桿帶動搖板繞固定支點(diǎn)做微幅擺動，壓迫搖板前面水體按一定規(guī)律向前運(yùn)動形成波浪，搖板造波示意圖如圖1所示。

圖1 搖板造波示意圖

波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)臺主要由造波水槽、PLC伺服電機(jī)控制系統(tǒng)、整體可升降搖板式造波裝置、消波裝置、波浪檢測系統(tǒng)等組成。造波水槽尺寸為4 m(長)×1.5 m(寬)×1.5 m(高)。水槽外框結(jié)構(gòu)由不銹方鋼焊接而成，中間均勻布置不銹鋼管以加強(qiáng)水槽的耐壓、穩(wěn)定性，為使造波動態(tài)可視化，水槽外框由鋼化玻璃拼接而成，如圖2所示。伺服控制系統(tǒng)利用PLC控制器編程，給定信號，可以精確定位，電機(jī)轉(zhuǎn)速精確、無級調(diào)節(jié)，具有可控性好、穩(wěn)定性高和適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

圖2 波浪發(fā)電實(shí)驗(yàn)臺圖

整體可升降搖板式造波裝置由蝸輪蝸桿、齒輪齒條、滾珠絲杠、無齒隙彈性聯(lián)軸器、搖板、螺桿、魚眼連接頭、導(dǎo)軌、滑塊等裝置組成。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)臺特點(diǎn)，選用快速響應(yīng)能力強(qiáng)的伺服電機(jī)驅(qū)動，伺服電機(jī)通過聯(lián)軸器與滾珠絲杠和蝸輪蝸桿連接，蝸輪蝸桿配合齒輪齒條實(shí)現(xiàn)造波裝置的升降，滾珠絲杠則能將電機(jī)的轉(zhuǎn)動裝化為螺桿的平動，螺桿通過魚眼軸承連接頭與搖板上部相連，帶動搖板繞底部固定支點(diǎn)擺動進(jìn)行造波。整體可升降搖板式造波裝置便于安裝和拆卸，同時(shí)，在傳統(tǒng)造波機(jī)的基礎(chǔ)上增加了一組蝸輪蝸桿升降裝置，利用其自鎖性能來保證裝置安全性的同時(shí)，便于快速調(diào)節(jié)搖板在水中的浸深，能夠更方便有效地改變波浪發(fā)電系統(tǒng)造波機(jī)研究中的參數(shù)設(shè)置，整體可升降搖板式造波裝置裝配示意圖如圖3所示，圖4為其裝配實(shí)物圖，圖5給出了造波系統(tǒng)示意圖。參考相關(guān)文獻(xiàn)設(shè)計(jì)一種傾斜雙層孔板式消波裝置；實(shí)驗(yàn)檢測波浪參數(shù)的裝置主要為高精度波高儀和SDA1000傳感器系統(tǒng)采集軟件。

圖3 整體可升降搖板式造波裝置示意圖

圖4 整體可升降搖板式造波裝置實(shí)物圖

圖5 整體可升降搖板式造波裝置系統(tǒng)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及結(jié)果分析

通過搭建的實(shí)驗(yàn)臺和設(shè)計(jì)并安裝整體可升降搖板式造波裝置，針對該裝置對搖板浸深、搖擺角度、搖板擺動角速度等變量參數(shù)對波高的影響開展實(shí)驗(yàn)研究，探究該裝置的造波性能，并確定最優(yōu)運(yùn)動參數(shù)設(shè)置。在PLC控制系統(tǒng)操作界面設(shè)定波浪參數(shù)，將信號傳至控制中樞驅(qū)動伺服電機(jī)和滾珠絲杠，通過魚眼連接頭和螺桿帶動搖板做往復(fù)運(yùn)動來制造規(guī)則波和不規(guī)則波，利用波高儀對產(chǎn)生波浪的信息采集并反饋給電腦記錄數(shù)據(jù)。由于試驗(yàn)臺搭建在實(shí)驗(yàn)樓三樓，鑒于建筑樓層承重和安全系數(shù)考慮，造波水池極限水深為0.5 m，搖板垂直最大浸深0.45 m，根據(jù)已知造波參數(shù)和計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析。

2.1 無因次波高與搖擺角度關(guān)系分析

本課題研究中的長度單位均采用無因次量(無因次長度=實(shí)驗(yàn)長度/特征長度，特征長度值為實(shí)驗(yàn)室極限水深值0.5 m)，搖板浸水無因次深度設(shè)置為0.5到0.9五種工況。圖6顯示當(dāng)搖板浸水無因次深度為0.5時(shí)，無因次波高隨搖擺角度變化的關(guān)系圖，當(dāng)搖板擺動角速度維持恒定時(shí)(角速度大小恒定不變，方向?yàn)橥鶑?fù)運(yùn)動，下文同)，搖擺角度的變化會影響無因次波高，以搖板擺動角速度為0.45 rad/s為例，隨著搖擺角度的增加，產(chǎn)生波高基本呈先增加后減少的趨勢，搖擺角度從11°增加到23°，無因次波高從0.14增大到0.19，增幅為35.7%，在搖擺角度為23°時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，無因次波高最大值0.19，當(dāng)搖擺角度大于23°時(shí)，波高值反而逐漸減少。圖7、8、9、10分別給出當(dāng)搖板浸水無因次深度為0.6、0.7、0.8、0.9時(shí)，無因次波高與搖擺角度的對比圖。分析發(fā)現(xiàn)，在搖板浸水無因次深度和搖板擺動角速度維持恒定的情況下，無因次波高隨搖擺角度的增大均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，當(dāng)搖擺角度為23°時(shí)無因次波高達(dá)到峰值。這是因?yàn)橐环矫鎿u擺角度增大的同時(shí)，產(chǎn)生波浪的慣性力做功也隨之增加，導(dǎo)致波浪的能量增加，成為有效波高的能量相應(yīng)減少；另一方面搖板排開水的體積增加，影響搖板擺幅間水體的速度和體積流量，故而導(dǎo)致盡管搖擺角度增加，但無因次波高卻在23°時(shí)達(dá)到拐點(diǎn)，隨后逐漸減小。

圖6 浸水無因次深度為0.5時(shí)，無因次波高與搖擺角度對比

圖7 浸水無因次深度為0.6時(shí)，無因次波高與搖擺角度對比

圖8 浸水無因次深度為0.7時(shí)，無因次波高與搖擺角度對比

圖9 浸水無因次深度為0.8時(shí)，無因次波高與搖擺角度對比

圖10 浸水無因次深度為0.9時(shí)，無因次波高與搖擺角度對比

2.2 無因次波高與搖板浸水無因次深度關(guān)系分析

圖11展示出在搖擺角度為23°工況下，無因次波高隨搖板浸水無因次深度的對比圖。由圖12可知，維持搖板擺動角速度恒定時(shí)，搖板浸水無因次深度的變化會影響無因次波高值，以搖板擺動角速度為0.45 rad/s為例，無因次波高隨著搖板浸水無因次深度增加而逐漸增加，但增加趨勢逐漸變緩，增長率下降，這是由于隨著搖板浸水無因次深度增加的同時(shí)，搖板本身要排開水的體積增加，因克服阻力能量損失增大，故而產(chǎn)生波高值增加幅度下降。在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，搖板浸水無因次深度為0.9時(shí)無因次波高值達(dá)到最大，最大無因次波高值為0.26。

圖11 搖擺角度為23°時(shí)，無因次波高與搖板浸水無因次深度對比

圖12 搖擺角度為23°時(shí)，無因次波高增長率與搖板浸水無因次深度對比

2.3 無因次波高與搖板擺動角速度關(guān)系分析

圖13給出搖擺角度為23°工況時(shí)，無因次波高隨搖板擺動角速度的變化關(guān)系圖。在搖板浸水無因次深度維持恒定不變時(shí)，搖板本身運(yùn)動速度的變化對無因次波高產(chǎn)生了較為明顯的影響，在一定范圍內(nèi)隨著搖板擺動角速度增加，波高值也隨之增大，當(dāng)搖板擺動角速度為0.45 rad/s時(shí)達(dá)到拐點(diǎn)，隨后無因次波高反而逐漸降低，無因次波高最大值為0.26。這是由于當(dāng)水體的運(yùn)動速度達(dá)到一定值時(shí)，波浪會出現(xiàn)破碎，導(dǎo)致波高值下降；另外，實(shí)驗(yàn)水槽建造的質(zhì)量等因素對波高產(chǎn)生影響。

圖13 搖擺角度為23°時(shí)，無因次波高與搖板擺動角速度對比

3 結(jié) 語

造波機(jī)是實(shí)驗(yàn)?zāi)M波浪發(fā)電中產(chǎn)生波浪的重要動力裝置，其性能直接影響到造波質(zhì)量，本課題基于波浪發(fā)電綜合實(shí)驗(yàn)臺，重新設(shè)計(jì)了一種整體可升降搖板式造波裝置，并對其造波性能開展實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明在實(shí)驗(yàn)水槽的造波實(shí)驗(yàn)中，產(chǎn)生波高值大小與搖板擺動角度、搖板浸水無因次深度和搖板擺動角速度等參數(shù)密切相關(guān)。在本課題的實(shí)驗(yàn)研究工況范圍內(nèi)，得出如下結(jié)論：

1)在搖板浸水無因次深度和擺動角速度恒定工況下，實(shí)驗(yàn)水池產(chǎn)生的無因次波高隨搖擺角度的增大先增加后減小，當(dāng)搖擺角度為23°時(shí)無因次波高達(dá)到最大值，該裝置的最佳搖擺角度為23°；

2)在搖擺角度維持23°且搖擺角速度不變時(shí)，搖板浸水無因次深度越大，產(chǎn)生的無因次波高也隨之增加，浸水無因次深度由0.5增加至0.9，無因次波高由0.19增加至0.26，增幅為36.8%，增長率逐漸下降；

3)當(dāng)搖擺角度和浸水無因次深度不變時(shí)，隨著搖板擺動角速度的增加，無因次波高值先增后減，在搖板擺動角速度為0.45 rad/s時(shí)，無因次波高值最大，最大值為0.26；

4)經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)綜合分析，確定設(shè)計(jì)的整體可升降搖板式造波裝置最佳運(yùn)動參數(shù)，即搖板浸水無因次深度為0.9、搖擺角度為23°、搖板擺動角速度為0.45 rad/s，此時(shí)波浪發(fā)電綜合實(shí)驗(yàn)臺所產(chǎn)生的最大無因次波高值為0.26；

5)該整體可升降搖板式造波裝置具有較好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，克服有限實(shí)驗(yàn)水池水深條件下注、放水慢及結(jié)構(gòu)形式單一的難題，有效實(shí)現(xiàn)了節(jié)能減排降耗增效，為實(shí)驗(yàn)室水槽波浪研究及波浪發(fā)電的實(shí)驗(yàn)研究提供技術(shù)支持。