官 晟，王巖峰 ，黃振興 ，高軍偉

（1.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266071；2.青島大學自動化工程學院，山東 青島 266071）

小型室內(nèi)水槽造波造風系統(tǒng)設(shè)計

官 晟1，王巖峰1，黃振興2，高軍偉2

（1.國家海洋局第一海洋研究所，山東 青島 266071；2.青島大學自動化工程學院，山東 青島 266071）

小型室內(nèi)風浪水槽是海氣界面多種微尺度過程實驗研究的基礎(chǔ)設(shè)施。造風造波系統(tǒng)是風浪水槽的核心部分。針對多種微尺度過程模擬的需要，設(shè)計了造風造波系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)與控制軟件。利用該系統(tǒng)，開展了多種造波、造風實驗。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，證明該設(shè)計滿足各項預定指標，可以有效模擬多種海氣界面風浪環(huán)境。

風浪水槽；搖板式造波機；labVIEW ；伺服系統(tǒng)；運動控制器

海氣相互作用對天氣和氣候的影響深遠，已成為大氣科學和海洋科學中重要的課題。但海氣相互作用中許多微尺度過程具有典型的間歇性湍流運動特征，觀測難度較大。因此利用室內(nèi)風浪水槽對多種微尺度過程進行模擬，在此基礎(chǔ)上開展實驗室觀測是海氣相互作用研究中的一個重要方法。

為模擬包括微尺度波浪的形成及破碎過程；界面的能量傳輸；海水表層的物質(zhì)輸運過程；界面和水體內(nèi)部的湍流混合過程等微尺度過程，室內(nèi)風浪水槽需要具備可預置參數(shù)、可編程的自動造風、造波功能，實時提供水槽風浪參數(shù)，并且能為海面微結(jié)構(gòu)光學測量裝置、微尺度動力過程光學測量裝置（PIV和LIF）、紅外熱像系統(tǒng)、聲學多普勒流速儀（ADV）等試驗設(shè)備，提供多種可組裝的、可精密調(diào)節(jié)的光學及電子設(shè)備平臺及窗口。其中，造風造波系統(tǒng)無疑是小型室內(nèi)風浪水槽的核心組成部分，也是此類系統(tǒng)的研究重點。

1 造風造波系統(tǒng)技術(shù)背景與參數(shù)設(shè)計

作為一種重要的研究平臺，國內(nèi)外很多海洋、水利、水下工程的研究機構(gòu)修建了多種應用于仿真實驗研究的室內(nèi)風浪水槽。

1932年，美國海灘侵蝕管委會就建筑了世界第一臺規(guī)則波造波水槽。1957年，荷蘭的瓦格寧根造波水池正式交付使用，該造波水池是世界上最早的一個耐波性水池，水池長寬深分別為100 m、24.5 m和2.5 m，該造波機的造波結(jié)構(gòu)為搖板式蛇形結(jié)構(gòu)，能夠產(chǎn)生的波浪波長范圍是1.5～6 m。1958年，美國的泰勒矩形水池建造完成，水池主體長寬深分別為110 m、73 m和6 m，該造波機的造波結(jié)構(gòu)為氣動式造波結(jié)構(gòu)，能夠產(chǎn)生的波浪波長范圍為0.92～12.2 m，波浪的波高范圍為0.01～0.06 m，該造波機也可造短峰波及長峰不規(guī)則波。1962年，英國的哈斯拉水池也建造完成并投入使用，該造波機的造波結(jié)構(gòu)為沖箱式造波機，能夠模擬長峰規(guī)則波和不規(guī)則波。德國漢堡大學風浪水槽長26 m、寬1 m，平均水深0.5 m。造風速度范圍1.5～25 m/s，推板式機械造波頻率范圍0.7～2.5 Hz，水槽遠端設(shè)有消波裝置[1]。法國馬賽無線電與電子研究所大型風浪水槽長40 m，寬2.6 m，平均水深1 m。設(shè)有長40 m，寬3.2 m，深1.6 m的封閉風道，風速最高可達14 m/s，電腦控制機械造波頻率范圍0.5～2 Hz。

我國對于水池造波設(shè)備及其理論方面的研究起步比較晚。20世紀80年代初，南京水利科學研究院成功的研制出國內(nèi)第一臺不規(guī)則波造波機[2]。1986年，大連理工大學研制的低慣性伺服電機驅(qū)動式水槽造波機投入運行。該海洋環(huán)境水槽長50 m，寬3 m，深1 m，最大工作水深0.7 m。由造波板、液壓伺服動作器、液壓泵站、伺服放大器、A/D與D/A接口及計算機等硬件部分和控制分析軟件組成。該水槽選用推板式造波方案，由液壓伺服系統(tǒng)提供運動能量?？梢栽煲?guī)則波和不規(guī)則波[3]。中國海洋大學大型風-浪-流水槽通過風機、造波機、流機，在封閉的管道中形成人工的風、浪、流，構(gòu)建一個模擬海面實際情況的背景環(huán)境，進行多種模擬實驗。水槽長65 m，寬1.2 m，高1.5 m；最大水深1 m[4]。可造風速范圍 1.5～14 m/s；流速范圍 0～0.4 m/s；隨機機械造波機可造0.4 m內(nèi)的規(guī)則波或給定譜形的隨機波。另有二維內(nèi)波水槽和三維內(nèi)波水槽，均配備有鉭絲波面測量裝置；聲學多普勒測速儀（ADV）；粒子成像測速儀（PIV）；風速測量裝置（熱線風速儀、皮托管、風杯）等。浙江省水利河口研究院波流風水槽由波流水槽、造波機系統(tǒng)、流場模擬系統(tǒng)及風模擬系統(tǒng)組成。水槽長70 m，寬為1.2 m，高為1.7 m，主要開展河流泥沙輸運模擬研究[5]。

隨著國內(nèi)大型風浪水槽的建設(shè)，相關(guān)技術(shù)也在不斷進步。但目前這些大型水槽使用成本都較高。國內(nèi)目前還沒有能實現(xiàn)規(guī)則波模擬、簡單的不規(guī)則波模擬以及風浪的模擬，專門與海氣界面微尺度過程觀測相配套的小型風浪水槽。

作為風浪水槽功能實現(xiàn)的核心部分，造風、造波系統(tǒng)涉及到海洋物理學、造波理論、自動控制、運動控制技術(shù)、計算機應用技術(shù)、電力電子技術(shù)、傳感技術(shù)等多種學科。制約造波技術(shù)發(fā)展的一個重要因素就是造波系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)運動的隨機控制和造波波浪的數(shù)據(jù)采集和處理。隨著計算機應用技術(shù)、自動控制理論和伺服運動控制技術(shù)的發(fā)展，高性能控制器能夠?qū)υ觳ò宓倪\動控制更加靈活、準確[6]；控制信號的數(shù)字化，可對運動機構(gòu)進行調(diào)幅、調(diào)頻，從而簡化了規(guī)則波和不規(guī)則波的產(chǎn)生。目前，造波方式仍以機械式造波為主，即通過造波部件的機械運動對水池中的水體進行擾動來激起波浪。造波機的形式主要有搖板式造波機、推板式造波機、沖箱式造波機、氣動式造波機等[7]。其中，應用最廣泛的是搖板式和推板式兩種。這兩種造波機具有結(jié)構(gòu)簡單、控制方便、維護簡便的優(yōu)點。

以海氣界面觀測實景為目標，以目前國內(nèi)外相關(guān)系統(tǒng)技術(shù)方案及指標為參考，結(jié)合水槽建設(shè)場地、環(huán)境等客觀條件限制，確定造風、造波系統(tǒng)主要參數(shù)如下：

（1）水槽尺寸為5 m×1 m×0.5 m，采用直長水槽結(jié)構(gòu)，安裝尺寸滿足實驗室空間7 m×6 m×3 m要求；

（2）風浪水槽主體為玻璃水槽，水槽有效測量段下方開有光學窗口；

（3）造波波長范圍0.05～1.5 m,最大波高不小于0.2 m；波譜類型包括Pierson-Moskowitz譜、JONSWAP譜和Neuman譜，可自定義波譜；造波重復性誤差小于2%，有消波功能；

（4）造風最大風速不低于15.0 m/s，風速均勻，在觀測段內(nèi)變化不超過±0.3 m/s。

2 造風造波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 造波系統(tǒng)設(shè)計

由于搖板式造波機有搖板小、結(jié)構(gòu)簡單及便于實時控制等優(yōu)點，考慮到造波機水槽尺寸的要求及現(xiàn)場應用情況，因此，選用與國外先進的造波機相同的搖板造波方式。搖板式造波機就是通過機械驅(qū)動令搖板繞固定軸擺動，使池中水波動。其原理示意圖如圖1所示。

圖1 搖板造波機示意圖

搖板造波系統(tǒng)主要由驅(qū)動電機、線性模組（滾珠絲杠）、搖板等組成。目前運動控制系統(tǒng)按驅(qū)動方式不同，可分為電氣控制、液壓控制和氣動控制。經(jīng)過比較分析各種控制系統(tǒng)的經(jīng)濟性和控制精度，選用交流伺服電機驅(qū)動和運動控制卡內(nèi)嵌于PC機的控制方式。上位機為工控機，主要完成各種波譜數(shù)據(jù)的計算、控制命令的發(fā)送、試驗數(shù)據(jù)采集處理以及對造波機運行狀況的監(jiān)控；下位機為內(nèi)嵌的NI4軸運動運動控制卡PCI-7390。伺服系統(tǒng)選用三菱公司生產(chǎn)的可與PCI-7390直接兼容的MR-J2S-70A驅(qū)動器和超低慣量中容量的HC-RP-103交流伺服電機。執(zhí)行機構(gòu)包括伺服電機和將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為直線運動的機械傳動裝置(線性模組)。

圖2 造風系統(tǒng)示意圖

為了運動控制的需要及搖板造波的安全，在滾珠絲杠的中間位置，安裝檢測原點的傳感器，在滾珠絲杠兩頭加裝兩套保護措施，即光電開關(guān)和行程開關(guān)。原點傳感器信號接入運動控制卡的Home輸入端子，作為搖板的平衡位置檢測輸入信號。光電開關(guān)位于行程開關(guān)內(nèi)側(cè)，直接連接至運動控制卡的左右限位開關(guān)輸入端子，作為原點復位時的換向信號。行程開關(guān)位于光電開關(guān)外側(cè)，起搖板運行超限停機保護作用。

2.2 造風系統(tǒng)設(shè)計

在水槽頂部加蓋密封蓋板，構(gòu)成風罩，與玻璃水槽共同形成一體化風道。為使水槽內(nèi)風場分布均勻，在水槽尾部安裝軸流風機，以抽風的方式在水槽內(nèi)造風。在水槽前端靠近搖板處安裝進風口，在進風口的下端安裝可調(diào)仰角導風板，便于對風向進行微調(diào)。造風系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

根據(jù)設(shè)計最大風速的要求，對風機功率進行計算選型。

風速：V=15 m/s

風道截面積：F=l*h=1*0.2=0.2 m2

風量計算：Q=V*F=15*0.2=3 m3/s=10 800 m3/h

風機動壓：Pd=0.5*ρ*V2=15*1.237*152=139 Pa

風機靜壓：Pst=L*f=10*10 Pa=100 Pa

風機全壓：P=Pst+Pd=239 Pa

風機功率計算：

P=1.15*Q*P/（3600*1000*η）

=1.15*10800*239/（3600*1000*0.75）

≈1.1 kW

根據(jù)風機選型手冊，由計算數(shù)據(jù)留取一定域量，選取低噪聲節(jié)能大流量軸流風機，參數(shù)如表1。

表1 風機參數(shù)表

為實現(xiàn)風速可調(diào)，選擇三菱FR-F700系列2.2 kW的變頻器控制風機。三菱FR-F700通用變頻器最適合風機、泵類負載使用，內(nèi)置噪聲濾波器，并帶有浪涌電流吸收回路，具有先進的壽命診斷及預警功能，操作維護簡單。

2.3 傳感器系統(tǒng)設(shè)計

為了構(gòu)成搖板造波的閉環(huán)控制，在搖板前安裝有兩個浪高儀，實時檢測波面高度。為實現(xiàn)風速的無級自動調(diào)節(jié)閉環(huán)控制，在水槽試驗段前后兩側(cè)各放置一個熱膜風速傳感器，實時測量風道內(nèi)的風速。

2.4 消波系統(tǒng)設(shè)計

由于水槽尺寸限制，試驗段和消波段相距很近，若要避免反射波對測量段的干擾，必須在水槽的另一端采取有效地消波方法。經(jīng)過大量理論分析和現(xiàn)場試驗，最終采用波浪海綿消波結(jié)構(gòu)，并在消波板下堆放鋼絲球，增加消波效果。

3 造風造波系統(tǒng)控制軟件設(shè)計

3.1 總體設(shè)計

造風造波系統(tǒng)控制軟件總體框圖如圖3所示。

圖3 控制軟件總體框圖

3.2 搖板造波程序設(shè)計

搖板造波控制系統(tǒng)采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)。運動控制卡通過伺服驅(qū)動器控制電機，讀取伺服電機位置編碼器構(gòu)成系統(tǒng)內(nèi)環(huán)。上位機控制程序?qū)⒗烁邇x測量的實時波高數(shù)據(jù)與給定值比較，控制輸出，構(gòu)成系統(tǒng)外環(huán)。程序框圖如圖4所示。

圖4 搖板造波程序框圖

規(guī)則波造波程序的實現(xiàn)包括設(shè)備的復位、參數(shù)的設(shè)置、搖幅及控制數(shù)據(jù)的計算。設(shè)備復位，即搖板原點復位。每次啟動程序前，需要判斷當搖板是否位于絲杠中間的原點位置，防止搖板運行時行程超限。規(guī)則波輸入?yún)?shù)為水深、波浪周期及波高。計算程序根據(jù)搖板搖幅和波高之間的關(guān)系，計算造波機的搖幅，得到搖板運動目標譜，并將連續(xù)的目標譜離散化，得到控制伺服電機運行的離散速度序列。在造波過程中，通過實時分段改變伺服電機的速度實現(xiàn)搖板的周期性變速運動。

造不規(guī)則波時，首先也需要執(zhí)行搖板復位子程序。然后讀取前面板設(shè)定的參數(shù)，進行不規(guī)則波頻譜的模擬再現(xiàn)。在程序進入正式造波之前，計算程序模塊先進行頻譜計算，并將目標頻譜轉(zhuǎn)換為時域搖板運動目標譜，進而計算得到伺服電機的控制數(shù)據(jù)。

3.3 造風控制程序設(shè)計

造風控制系統(tǒng)主要有兩大功能，造風和定速反轉(zhuǎn)。造風即風機在正常情況工作時都處于抽風狀態(tài)，并且可以根據(jù)需要實時地改變風速。定速反轉(zhuǎn)為維護維修等特殊情況下需要風機工作在吹風狀態(tài)，其風速為預先設(shè)定的一個固定值。

風速的閉環(huán)控制采用的是經(jīng)典控制理論PID控制算法。造風控制系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5 造風控制系統(tǒng)框圖

造風時，先輸入造風時間及風速設(shè)定值，計算機根據(jù)設(shè)定風速與風速儀測量得到的實際風速比較后采用PID算法，計算出相應的數(shù)字信號輸出值，經(jīng)多功能數(shù)據(jù)采集卡進行D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號量。通過變頻器改變風機電源頻率來改變風機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)風速的閉環(huán)控制。

由于風機反轉(zhuǎn)只有在維護維修時偶爾使用，對風速精度沒有嚴格的控制要求，對風速采用開環(huán)控制，即通過控制變頻器使風機工作在一個穩(wěn)定頻率即可。

3.4 人機界面設(shè)計

LabVIEW提供很多外觀與傳統(tǒng)儀器如示波器、儀表盤等類似的控件，可用來方便地創(chuàng)建用戶界面。前面板的控件基本分為輸入控件和顯示控件兩大類，它們分別是VI的交互式輸入輸出端口。當使用LabVIEW程序框圖編程時，虛擬控件可以在前面板自動產(chǎn)生用戶界面，大大縮短了用戶開發(fā)界面的時間。

該控制系統(tǒng)界面組態(tài)了登錄界面、系統(tǒng)界面、風機界面、伺服界面、報警界面、數(shù)據(jù)查詢界面及波形數(shù)據(jù)查詢界面。除使用LabVIEW軟件直接提供的輸入輸出控件組態(tài)基本畫面外，還通過自定義輸入輸出控件實現(xiàn)了搖板運動動畫、風速動畫及波浪動畫的模擬，提高了系統(tǒng)的可讀性和趣味性。

4 實驗與結(jié)論

4.1 規(guī)則波測試

規(guī)則波測試部分數(shù)據(jù)列舉如圖6所示。

測試數(shù)據(jù)分析如表2所示。

表2 規(guī)則波測試結(jié)果分析

圖6 規(guī)則波測試

圖7 P-M譜測試（h=0.3 m，H1/3=0.06 m）

表3 不規(guī)則譜測試

實測波高模擬誤差≤4%，周期模擬誤差＜4%，滿足試驗時對規(guī)則波模擬的精度要求。

4.2 不規(guī)則波測試

對不規(guī)則波的各種波譜進行了測試，以P-M譜的測試結(jié)果為例，如圖7所示。

對主要幾種不規(guī)則波的波譜進行了測試，結(jié)果如表3所示。

結(jié)果表明，各項指標均滿足不規(guī)則波模擬的精度要求。

5 結(jié)論

實踐證明，安裝于室內(nèi)的小型風浪水槽造波機，不僅能夠通過搖板造波實現(xiàn)規(guī)則波與不規(guī)則波的模擬，而且能夠通過造風實現(xiàn)水面毛細波等微幅波的模擬，實現(xiàn)了造風造波和機械式造波的一體化。小型風浪水槽造波機的設(shè)計完成了綜合性水文試驗平臺的搭建，能夠較好地模擬實際海洋環(huán)境中海氣界面微尺度過程，為研究海氣相互作用提供方便的試驗平臺。

[1]Martin Gade,Werner Alpers,et al.Wind wave tank measurements ofwave damping and radar cross sections in the presence ofmonomolecular surface films[J].Geophysical Research,1998,103(C2)：3167-3178.

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Design of Wind-Wave Making System for A Small Indoor Flume

GUAN Sheng1,WANG Yan-feng1,HUANG Zhen-xing2,GAO Jun-wei2
(1.The First Institute of Oceanography,SOA,Qingdao Shandong 266071,China;2.College of Automation Engineering,Qingdao University,Qingdao Shandong 266071,China)

The small indoor flume is the basis facility of the experimental research for many microscale processes of air-ocean interface.The wind-wave making system is the core of the flume.To meet the requirement of various micro-scale processes simulation,a wind-wave making system is designed.Through many experiments,the designed system is proven to be suitable for the planed index and capable of simulating a variety of wind and wave environment of air-ocean interface efficiently.

wind-wave flume;shake-flap wave maker;labVIEW;servo system;motion controller

TP273

B

1003-2029（2011）04-0006-05

2011-06-03

國家自然科學基金資助項目（41076062）；中央級科學事業(yè)單位修繕購置專項“海氣界面微尺度過程光學探測實驗系統(tǒng)”資助

官晟（1972-），男，高級工程師，研究方向為海洋物理應用技術(shù)。