搖板造波機規則波模擬性能測試

摘 要：搖板造波機采用運動控制器控制，伺服電機和絲杠導軌驅動，具有體積小、安裝靈活的優點。新造波機投入使用前須在測試水池中對其性能進行測試，為物理模型的設計和比尺選擇提供參考。通過系列試驗，測試了該造波機生成的規則波的最大波高分布、波面平穩度及不同時間段的造波穩定性等參數。測試結果說明，該造波機能生成的規則波波峰線平直度理想，周期范圍為0.6～2.5s，在周期為1.2s時生成最大規則波波高為15.49cm；規則波波形重復性良好，規則波波面平穩度小于6.5%；生成波浪的時間穩定性良好，不同時間段生成波浪的波高誤差小于3%。

關鍵詞：搖板造波機，規則波，波高最大值分布，波面平穩度，時間穩定性

隨著港口工程的不斷發展，物理模型試驗對造波機的功能和性能提出了越來越高的要求。搖板造波機采用伺服電機和絲杠導軌驅動，通過搖板式設計有效縮小了造波機的體積，使其安裝方便、靈活，從很大程度上提高了物理模型試驗的效率。新建造波機投入使用前必須對其性能進行測試，以檢驗造波機的性能，為物理模型試驗的設計和比尺選擇提供參考。本文對搖板造波機的規則波模擬性能進行測試。

1 造波機系統簡介[1]

本文測試的造波機采用計算機無線遠程控制，通過運動控制器實現對伺服電機的控制，并由伺服電機驅動滑塊導軌系統[2]，從而實現推波機構的運動以模擬出要求的波浪，推波板總寬度18m，高度0.45m，最大試驗水深40cm，最大擺角范圍-28°～28°。造波機采用380V三相交流電供電，輸出功率大，運動平滑，響應快，維護簡單方便。試驗時，通過上位計算機上的控制軟件界面進行控制，操作簡單方便。

該造波機的工作原理如下：造波機工作時，在控制計算機上輸入所需的造波參數，完成造波控制信號的計算[3]，經無線網傳輸到運動控制器中，運動控制器將造波控制信號傳輸到伺服驅動器中，由伺服驅動器控制伺服電動機的轉動，電動缸將伺服電動機輸出軸的轉動轉換為電動缸推桿的直線運動，并經過杠桿機構將運動傳遞到推波板使其產生搖擺運動，推波板推水而產生波浪[4]。同時，伺服驅動器的編碼器經接口電路實時反饋至運動控制器以對推波機構的運動實時監控，如有異常，伺服驅動器將使伺服電機停止運動并發送報警信號至運動控制器，再由運動控制器將報警信號發送至控制計算機上的控制軟件界面。

2 試驗水池及儀器布置

試驗水池長25m，寬25m，深0.6m。港池搖擺可移動式造波機安裝在水池的一端。造波機后布置消波框，能有效防止波浪二次反射，水池末端設有1：5的塊石斜坡，以吸收多余波浪能量[5]。如圖3所示，從造波機前6m處開始布置共12臺浪高儀，用于采集水池不同位置處的波浪數據，浪高儀的編號和間距如圖所示。

3 試驗內容及結果分析

結合水池深度和造波板高度，試驗水深選用有效水深38cm。試驗波浪分為規則波。

3.1 波浪時間序列的波峰線平直性

圖2給出了在水池中傳播的典型規則波列[6]，圖中，橫坐標為時間（s），縱坐標為波高（cm）。由圖中可以看出，波浪時間序列的波峰線是一條直線。本次測試試驗結果均在保證規則波形的情況下取得的。

3.2 不同周期的波高最大值分布

通過系列實驗，造波機在本實驗水池可生成的規則波范圍如圖3。圖中橫坐標為規則波周期T，縱坐標為對應周期下可生成的最大穩定規則波。

3.3 同一波峰線上的波面平穩度

波面的平穩度采用下式表示，平穩度越小表示波面越平穩。

（式1）

式中，Si—波面平穩度，—第i點的平均波高，H0—目標波高。

表1詳細列出了不同周期時最大波高情況下同一波峰線上的波浪平穩度。其中第二排的15#和18#在同一波峰線上，16#和17#在同一波峰線上。

從表1可以看出，各測點在不同周期時的平穩度最大為6.5%，造波機生成的規則波在同一波峰線上的波面大致比較平穩，僅在兩側的邊壁附近由于直墻摩擦導致波形滯后。

3.4 不同時間段的造波穩定性

在上午（8：00～12：00）和下午（13：00～18：00）兩個不同時間段，輸入相同參數進行重復造波試驗，每組重復2遍，對比2次的最大誤差。試驗結果見表2。

可以看出，該造波機在不同時間段生成的規則波波高相差不大；在不同時間段內兩次重復試驗的波高誤差也相差很小，且均不超過3%。因此，該造波機在不同時間段的對于規則波的造波性能穩定，能夠滿足模型試驗的要求[7]。

4 結論

該造波機能生成的規則波時間序列的波峰線平直度理想，周期范圍為0.6～2.5s，在周期為1.2s時可生成最大規則波波高，最大波高為15.49cm；規則波波形重復性良好，規則波波面平穩度小于6.5%；不同時間段時間生成波浪的穩定性良好，生成波浪的波高誤差小于3%。能夠滿足物理模型試驗的要求。

試驗前，應參考造波機模擬規則波時的上述特性設計好模型并選擇合理的比尺，以充分發揮造波機的效能，從而保證物理模型試驗的質量和效率。

參考文獻：

[1]張瑞波.港工波浪模擬設備的研究[D].天津：天津理工大學，2008.

[2]張瑞波，王收軍，朱國良. 伺服電機驅動式水槽造波機系統設計[J].機械設計，2007（10）：40-43.

[3]王宇晗，鐘勝波，胡俊.電動造波機控制系統的研究[J].上海交通大學學報，2005（01）：134-137.

[4]鄧勇，王收軍.搖板式造波機的控制系統設計[J].天津理工大學學報，2005（04）：18-20.

[5]楊志國.搖板式造波機性能實驗研究[J].應用科技，2004（08）：11-13.

[6]吳宋仁，嚴以新.海岸動力學[M].北京：人民交通出版社，2008：5-44.

[7]中華人民共和國交通部. JTJ/T234-2001.波浪模型試驗規程[S].北京：人民交通出版社，2001.

作者簡介：張瑞波（1982-），男，河北人，助理研究員，主要從事海岸河口試驗設備、泥沙運動特性及淤積方面研究。