新型摇板式造波装置对波高影响的实验研究

刘泽勤，于永杰

(天津商业大学机械工程学院，天津 300134)

能源与环境已成为当前学术界研究的两大热点课题，海洋作为可再生能源，具有无污染、可再生、总体蕴藏量大的特点，是一种潜力很大的清洁能源[1]。在实验室建立不同的造波水槽或水池以生成规则波、不规则波以及有特殊要求的波，验证波浪发电研究过程中的数值模拟计算结果的准确性已然成为波浪发电研究的重要内容之一。造波机是模拟实验水槽产生波浪的重要动力装置[2]，其性能直接影响到所造波的质量，对波浪发电的研究具有实际意义。

Yi Liu等[3]提出了一种利用数字旋转阀控制的简单推波式波浪产生方法，该方法可以方便地产生不同规则波。Heng Lu等[4]建立非线性和色散数值模型来模拟波浪水池，通过与实验测量的比较，验证数值模型具有较高的可靠性。Nan-Jing Wu等[5]利用活塞造波机在波浪水槽中产生孤立波，验证了产生孤立波的稳定性。费宇庭[6]运用数学物理方程与特殊函数中处理偏微分方程的方法，设计出了一套功能完善的造波机控制软件。陈俊华等[7]基于体积不变原则，推导得到新的摇板造波传递函数。季念迎等[8]基于Fluent软件结合实验对摇板式造波深入研究，结果表明，在相同运动幅度下，造波板运动频率越高，所形成波浪的周期越短，波高越小。尹阔[9]通过模拟分析推导确定了摇摆造波和平推造波多重边界条件，为设计组合式造波机提供理论基础。田野[10]基于模拟实验水的实际情况，分析了现有波高公式的局限性，并基于体积不变的假设，推导了适用于试验水池的浅水摇板造波公式。王丁一等[11]基于倍福TwinCAT对摇板式造波控制系统进行设计，实验表明该控制系统具有良好的频响特性。

本课题结合已有研究成果，基于多功能波浪发电实验台，考虑到该实验台结构形式和可变参数较为单一及实验过程注水、放水时间过长，每次实验会对水资源造成大量的浪费，重新设计搭建了一种整体可升降摇板式造波装置，该装置组装拆卸方便，并配合蜗轮蜗杆、齿轮齿条等结构有效实现了造波装置的升降与自锁，在有限实验水池水深的条件下可以快速调节摇板浸水深度，提高了模拟波浪的真实性、稳定性和可重复性，能够充分发挥小型实验水槽的功能，提高实验效率。并针对该装置开展实验研究，探究了摇板浸水深度、摇摆角度、摇板摆动角速度等变量参数对产生波高的影响规律，为实验室水槽波浪研究及波浪发电实验研究提供优化方案和技术支持。

1 波浪发电实验台

在本课题研究中，实验室水槽设置为一个封闭的空间，并假设流体不可压缩、无粘性、无旋运动，在实验中驱动装置通过连杆带动摇板绕固定支点做微幅摆动，压迫摇板前面水体按一定规律向前运动形成波浪，摇板造波示意图如图1所示。

图1 摇板造波示意图

波浪发电实验台主要由造波水槽、PLC伺服电机控制系统、整体可升降摇板式造波装置、消波装置、波浪检测系统等组成。造波水槽尺寸为4 m(长)×1.5 m(宽)×1.5 m(高)。水槽外框结构由不锈方钢焊接而成，中间均匀布置不锈钢管以加强水槽的耐压、稳定性，为使造波动态可视化，水槽外框由钢化玻璃拼接而成，如图2所示。伺服控制系统利用PLC控制器编程，给定信号，可以精确定位，电机转速精确、无级调节，具有可控性好、稳定性高和适应性强等优点。

图2 波浪发电实验台图

整体可升降摇板式造波装置由蜗轮蜗杆、齿轮齿条、滚珠丝杠、无齿隙弹性联轴器、摇板、螺杆、鱼眼连接头、导轨、滑块等装置组成。结合本实验台特点，选用快速响应能力强的伺服电机驱动，伺服电机通过联轴器与滚珠丝杠和蜗轮蜗杆连接，蜗轮蜗杆配合齿轮齿条实现造波装置的升降，滚珠丝杠则能将电机的转动装化为螺杆的平动，螺杆通过鱼眼轴承连接头与摇板上部相连，带动摇板绕底部固定支点摆动进行造波。整体可升降摇板式造波装置便于安装和拆卸，同时，在传统造波机的基础上增加了一组蜗轮蜗杆升降装置，利用其自锁性能来保证装置安全性的同时，便于快速调节摇板在水中的浸深，能够更方便有效地改变波浪发电系统造波机研究中的参数设置，整体可升降摇板式造波装置装配示意图如图3所示，图4为其装配实物图，图5给出了造波系统示意图。参考相关文献设计一种倾斜双层孔板式消波装置；实验检测波浪参数的装置主要为高精度波高仪和SDA1000传感器系统采集软件。

图3 整体可升降摇板式造波装置示意图

图4 整体可升降摇板式造波装置实物图

图5 整体可升降摇板式造波装置系统示意图

2 实验内容及结果分析

通过搭建的实验台和设计并安装整体可升降摇板式造波装置，针对该装置对摇板浸深、摇摆角度、摇板摆动角速度等变量参数对波高的影响开展实验研究，探究该装置的造波性能，并确定最优运动参数设置。在PLC控制系统操作界面设定波浪参数，将信号传至控制中枢驱动伺服电机和滚珠丝杠，通过鱼眼连接头和螺杆带动摇板做往复运动来制造规则波和不规则波，利用波高仪对产生波浪的信息采集并反馈给电脑记录数据。由于试验台搭建在实验楼三楼，鉴于建筑楼层承重和安全系数考虑，造波水池极限水深为0.5 m，摇板垂直最大浸深0.45 m，根据已知造波参数和计算得到的数据，进行具体的实验及数据分析。

2.1 无因次波高与摇摆角度关系分析

本课题研究中的长度单位均采用无因次量(无因次长度=实验长度/特征长度，特征长度值为实验室极限水深值0.5 m)，摇板浸水无因次深度设置为0.5到0.9五种工况。图6显示当摇板浸水无因次深度为0.5时，无因次波高随摇摆角度变化的关系图，当摇板摆动角速度维持恒定时(角速度大小恒定不变，方向为往复运动，下文同)，摇摆角度的变化会影响无因次波高，以摇板摆动角速度为0.45 rad/s为例，随着摇摆角度的增加，产生波高基本呈先增加后减少的趋势，摇摆角度从11°增加到23°，无因次波高从0.14增大到0.19，增幅为35.7%，在摇摆角度为23°时出现拐点，无因次波高最大值0.19，当摇摆角度大于23°时，波高值反而逐渐减少。图7、8、9、10分别给出当摇板浸水无因次深度为0.6、0.7、0.8、0.9时，无因次波高与摇摆角度的对比图。分析发现，在摇板浸水无因次深度和摇板摆动角速度维持恒定的情况下，无因次波高随摇摆角度的增大均呈现出先增大后减小的趋势，当摇摆角度为23°时无因次波高达到峰值。这是因为一方面摇摆角度增大的同时，产生波浪的惯性力做功也随之增加，导致波浪的能量增加，成为有效波高的能量相应减少；另一方面摇板排开水的体积增加，影响摇板摆幅间水体的速度和体积流量，故而导致尽管摇摆角度增加，但无因次波高却在23°时达到拐点，随后逐渐减小。

图6 浸水无因次深度为0.5时，无因次波高与摇摆角度对比

图7 浸水无因次深度为0.6时，无因次波高与摇摆角度对比

图8 浸水无因次深度为0.7时，无因次波高与摇摆角度对比

图9 浸水无因次深度为0.8时，无因次波高与摇摆角度对比

图10 浸水无因次深度为0.9时，无因次波高与摇摆角度对比

2.2 无因次波高与摇板浸水无因次深度关系分析

图11展示出在摇摆角度为23°工况下，无因次波高随摇板浸水无因次深度的对比图。由图12可知，维持摇板摆动角速度恒定时，摇板浸水无因次深度的变化会影响无因次波高值，以摇板摆动角速度为0.45 rad/s为例，无因次波高随着摇板浸水无因次深度增加而逐渐增加，但增加趋势逐渐变缓，增长率下降，这是由于随着摇板浸水无因次深度增加的同时，摇板本身要排开水的体积增加，因克服阻力能量损失增大，故而产生波高值增加幅度下降。在本实验范围内，摇板浸水无因次深度为0.9时无因次波高值达到最大，最大无因次波高值为0.26。

图11 摇摆角度为23°时，无因次波高与摇板浸水无因次深度对比

图12 摇摆角度为23°时，无因次波高增长率与摇板浸水无因次深度对比

2.3 无因次波高与摇板摆动角速度关系分析

图13给出摇摆角度为23°工况时，无因次波高随摇板摆动角速度的变化关系图。在摇板浸水无因次深度维持恒定不变时，摇板本身运动速度的变化对无因次波高产生了较为明显的影响，在一定范围内随着摇板摆动角速度增加，波高值也随之增大，当摇板摆动角速度为0.45 rad/s时达到拐点，随后无因次波高反而逐渐降低，无因次波高最大值为0.26。这是由于当水体的运动速度达到一定值时，波浪会出现破碎，导致波高值下降；另外，实验水槽建造的质量等因素对波高产生影响。

图13 摇摆角度为23°时，无因次波高与摇板摆动角速度对比

3 结 语

造波机是实验模拟波浪发电中产生波浪的重要动力装置，其性能直接影响到造波质量，本课题基于波浪发电综合实验台，重新设计了一种整体可升降摇板式造波装置，并对其造波性能开展实验研究，结果表明在实验水槽的造波实验中，产生波高值大小与摇板摆动角度、摇板浸水无因次深度和摇板摆动角速度等参数密切相关。在本课题的实验研究工况范围内，得出如下结论：

1)在摇板浸水无因次深度和摆动角速度恒定工况下，实验水池产生的无因次波高随摇摆角度的增大先增加后减小，当摇摆角度为23°时无因次波高达到最大值，该装置的最佳摇摆角度为23°；

2)在摇摆角度维持23°且摇摆角速度不变时，摇板浸水无因次深度越大，产生的无因次波高也随之增加，浸水无因次深度由0.5增加至0.9，无因次波高由0.19增加至0.26，增幅为36.8%，增长率逐渐下降；

3)当摇摆角度和浸水无因次深度不变时，随着摇板摆动角速度的增加，无因次波高值先增后减，在摇板摆动角速度为0.45 rad/s时，无因次波高值最大，最大值为0.26；

4)经实验研究和数据综合分析，确定设计的整体可升降摇板式造波装置最佳运动参数，即摇板浸水无因次深度为0.9、摇摆角度为23°、摇板摆动角速度为0.45 rad/s，此时波浪发电综合实验台所产生的最大无因次波高值为0.26；

5)该整体可升降摇板式造波装置具有较好的稳定性和可重复性，克服有限实验水池水深条件下注、放水慢及结构形式单一的难题，有效实现了节能减排降耗增效，为实验室水槽波浪研究及波浪发电的实验研究提供技术支持。