吸收式造波机和宽式波浪槽_高恒庆.pdf

第51卷第4期海岸工程169 9年12月吸收式造波机和宽式波浪槽5.H.Salter(英国)摘要介绍一种宽式波浪槽,槽中设有一组吸收式造波机,它能吸收反射波前言对于大多数可能的技术来说,模型研究方法极其有效,我们的许多工作已涉及比例尺约 为1:10 0的模 型的测 试,以越来越大的真实性来模拟 海洋我认为波 浪槽应该像电子工程师试验台上的仪器那样发挥作用我希望能够精确地 控制尺寸、频率和海洋的“角度展开度”,并能随意地安排可复现的“异常”事件此外,最好的波能装置应该具有和非常长的波峰跨距相适应的结构外形这就 意味着我们可能会需 要 控制一个具有相当宽度 的海岸区,而 不是 油井机架实验所能接受的小块区域本文介绍实现这一 目标的具体步骤1早期问题最早使我接触到造波 问题 是一个借用的窄式波浪槽,该槽装有一个带铰链的活板式造波机由一台装有齿轮 减速箱 的感应式 电动机通过 曲轴和推杆驱动造波 机尽 管造波活板的 角度 运动 的摆 幅是 恒定的,但所 产生的 波浪 的振幅(波幅)常常有高达3 0% 的变化,这就使得 实验测量相当困难这是 由于模型反射产生的,如 果给波浪槽装上 一个能完全反射的陡壁,则波幅 增长 的更大。

图l是带铰链接头的活 板的 动作示意 图虽然 活板都是被 驱 动而移过相同的角度,但 是右边 活板的底铰 比左边的活板装得深,因此推水量也大一些,所生成的波浪也较大显然,造波机运 动 的摆 幅不足以确 定波 浪的 振 幅我们还 需 要知道铰链 浸入水 中 的 深度,而图1推水量与铰链浸入水中深度的关系侵入深度则取决于许多因素反射也会 引起 麻烦如果我们不考虑蒸发和 泄漏,则下述诸因 素会改变造波机前面 的水位:①来 自模型或斜坡 面的反射;②原先生成的波浪的余波;③其他谱分量的存在;④对多活板造波机 组而收稿日期:1996一08一10,修改稿:19 9 6一09一1 3海岸工程第1 5卷言,由相邻 活板 所产 生 的侧 向波;⑤对大宽度单推板造波 机而 言,由于推板端边效应,板体弯曲和表面不平整造成 的干扰波如果考虑到 上述所有因素,并注意到活板推水量与铰链浸入水中的深度平方成正比,尽管这能获得 广泛的应 用,但仅用活板的角位移来确 定所产生 的波浪大小则 不 是可靠的方法一 旦在 波浪槽中出现了不希望有的能量,就应该设法把其吸 收掉第一个报道使用吸收原理 的 人是Milga rm (19 65,19 70)。

通常使用的消波斜坡结构 会占用水槽相当长的长度,而且对波 陡较小的波浪来说性能常常会下降Mi lga rm设想使一短斜坡面在小波陡时也会很好地消波他 在靠近一个活板 的前端放置了 一个电容式波浪探测 器,并把该探测器的输出信号通过一个有源电子滤波器输送 到驱 动该活板的电动机他论证了该系统能够稳定运行和具有很好的吸收反射波的能力,但还未见报道他继续把该设备用于造波机在原理上,有许多可用技术 能够 向造波 机提供有关水的运 动信息如像Milg ram那样使用电阻式或电容式 测波仪,还可使用雷达、声纳或激光,可以测量压力或合力,可以把来 自任何这类信号 源的信号进行处理,以产生其他任何形式的控制信号只要仪器设备工作正常,它们在理 论 上的 差别是 很小 的我曾决定测 量作用在造波机上的力,相信这样做有三个优点首先,使用一个“力传感器”来感测 整个造波机前面的“水状 态”的平均值想要在出现有横向波的情况下获得一个好的统计样本,就需要对横布于造波机许多测点上的传· 感器读数取平均值其次,力传感器完全 不受波浪槽中水所发生的难以预 见的化学上和生物学上变化的影 响我 们 曾发 现尽 管人们设法去补偿电导率的变化,但是我们不能保证一个大批 量 的电阻性测 波仪中每个测 波仪的稳定性;也还发现电容性测波仪最终会生成一种表层薄膜,该薄膜层会使输出信号对于下降的水位产生滞后效应。

麻烦在于波浪槽中的水是一种不太好 确定 的介质水 中存在着 矿物质,可 能还加了 防腐剂,形成了生物 丛 和残渣,杀虫剂,由于 一些原 因发生 溢 油 事件,尘土 沉降,通过蒸发,残 留物积存在水面上和水面 下,传感器所 处的条件是不 同 的6个月后,检查玻璃水槽的窗口一定会发现测波仪的表面是那样的脏我们至今还 没有研制出一种不 用经常进行清洁和标定而能加以信赖的测波仪,这对于大多数造波机来说是不能接受的第三个优 点 在于 能容易地 把 力传感器的输出信号与速度传感器的输出信号联系起来,从而 确定把能 量 输送给水 的速率我们必须遵 循能量守 恒定律,它已经建造了能显示其有价值的许多成 功 的 机器虽然 大家都把 水波 作 为正弦波来处理,但是我们也知道,当波 陡增大时,这 种近似是 非常错误 的与正弦波相比,波谷较 浅、波峰较 尖、较高我认 为赋于每个频率以正 确数值能量要比把一个 不像正弦波 的波浪强制性 地认 为正弦波要好我们应该让波浪 自身来决 定哪一阶的斯托克 斯校正 是合适 的,如何把各个频率结合在一起,取什么样 的波形 最适合于特定 的波 浪Gi lb er t(1978 )认为不能采用“力的测量”这 一方法,其理由是:由于需要加速“位移块”,所以力信号发生了混淆。

不过,机 械惯性 是恒 定不变的,而 且要使 它变小也不困难如果做到 了这 一点,那末用来加速`’位移块”而所需 的力与推动 水所需 的力相比要小,并可加以计及此外,目前对 力、质量和加速度 的 定律都是 掌握 得很好 的总 的 说来,有 很多 控制造 波 机的方法移动构 件使 造波 机 变位 的方 法是最不好的测第4期高恒庆译:吸收式造波机和宽式波浪槽力法所 具有的 优点是对造波 机前 面的 整个区域进行取样,而 且传感器 是与波 浪槽 中的 水的化学和生物学特性没有联系的,因而能 得到很好的长期稳定性还有个优点是此法通过对能量进行控制,可 避免在 生成陡波时所涉及的许多 非线性问题2造波机的设计如果我们决定 要 测 t 力,那末 就必须保证力信号 不 包括位于造波机后 面 产生 的 波浪作用给造波机装上 一块 对力敏感的前面板就可以做到 这一点但是,我认为更好的办法是使用 一个不对称结构物,使其在后面不 生成波浪,这样就可把电动机和功率放大器的额定值以及消耗的能 量都减低一半有若干种产生 不对称性的方法,将其中三种示于图2,3和4图2楔块图3鸭嘴块一般 说来,滑 动约束要比旋转约束更难于实 现。

因此,不 使 用 滑 动楔 块 而 使 用“鸭嘴块”和“密封 活板”,已取得了令人满意的 结果在瑞典哥 德堡 的大型波浪槽中成功地使用着滑动密 封 件,但 为了避 免 摩 擦力,我 们感到 使 用Ta nigu ch i和Kas ai(1972)所 报道的“e Bl ofram”膜 片 原理较 好我们发现用聚 氨醋浸渍的尼龙 织物 是极好 的不过 重要 的 是不得把这 类 织物 在同一个地 方同 时沿两 个方向弯曲在角撑板 的衬层与铰链衬层相接 之处,这种困难最 为突出,必须小自设计,以免过早损坏图5示 出一r 现行 设i十装 置的结构示意图活板由一个铆接的轻型合金制成的棱柱形盒所组成,它质轻,刚度很好驱动装置采用一台低惯性的印刷电枢电动机用一根多股不锈钢丝绳在电动机轴刻 有螺纹的 轮上围绕7次加以连接轮子尺寸的选择必须十分小 心我们希望它小一 些,以使 电机 的传动快速 而有效但如果太小,则由于钢丝绳绕着一个太紧的曲线弯曲,而会发生 疲 劳问题我 们 目前使用的 装置 是 由8 0 个单元构 成的样机,使用了三年没有发生故障用一个弹簧来平 衡造 波机向后 面 推动的静态 流体压 力,这样选 择 以弹簧的刚性:即使其与活 板 系统的质量以及附加质量在 一个稍高于工作带中心频率的频率上发生谐振。

这就意味着大部分功 率用在造 波上,而不是 用在加速和 减速惯性物 上 工 作于乙类状态 下的两个功率晶体管对于在IH:频 率上的充分成长的波来说绰绰有余活板的谐振是 这 样加以衰减的,使它作 用在工作带一个较大范 围 内散布,井使造波 机的传递函数是一 条平稳变化的曲线我们设法 使该造波 机像类似于驱 动 同轴电缆的电子脉冲发 生器 具有 正 确匹配的源 阻抗 那样地工 作使用电子网络来产生一个 低频率上的“负弹簧”效应,并 使活板 的 阻尼系数在 频带范 围 内变 化在 设计上 必须 兼顾考虑:①要求在 低频 率上 能产生大幅度的波海岸工程第1 5卷浪;②要求在高频率上具有很好的吸收特性采用钢丝绳驱动可以允许电动机与造 波机 之间的位置调整有较大的余裕度,同时还可省掉连接刚性制动 器和造波机 活板 的运动弧体 上所需的外加轴承这些不锈钢丝绳 在浅波区工作得很好,不需 要添加 润滑剂,对所 需的增 益带宽来说,其刚性是 足够的把造波机 向后推动的力全都来自水体,任何时候都不要使活板往后移动的速度大于水能跟随它的速度如果这样,水就会落在后 面,那就成了在空气中造波了图4“e Blo fa rm”膜 密封件图51977年设计的吸收式造波机(8 0个单元并列成一排)总之,钢丝绳 驱 动装 置能 提供合适 的速度比,并可避免发生弯曲疲劳,设备相互之间的位置调得不太准 时,钢丝绳也能 适应,并可工作于多尘、潮湿的环境中。

钢丝绳驱动装置的频率特性能满足 要求,最 突出 的一点是非常便宜3力 的感测我们 最早使用的感测 力传感器是 经刻蚀的箔 式 应变计后来发现使用压电晶体能比较容易获得较高的器件 刚性,压电晶体还有 不需 要稳 定 的供电电源以及较大的固定的偏置力 的优 点廉价的场 效应运算放 大器 在市场上 的 出现已经 为压电晶体开辟了许多 低频率范畴的 应 用,当然 不 能把压 电晶体降到零频率上工作这意味着必 须仔细设计控制 电路的低频特性,以保证 稳定性我们担 心波 浪槽 的 潮湿 环境 会对 高阻 抗 电路 产生 不利 的影 响因为每台传感器在浸入水中6 0cm的深度 上 2 4h必须 工作正常在a 3的 时 间内没有一个压电晶体透水而受潮水 上和 水下 电子设 备 的实际使用经验 证实 了 在 电路受潮时,阻 抗 不受影响实际上,高阻抗电路可 能具 有导 线经 电镀后要 经过较 长时 间才剥 落的 优点第4期高恒庆译:吸收式造波机和宽式波浪槽4速度的感测速度和力 一样重要我们的速度 传感器连接到驱动 电动 机的 后轴上,是普通 的无 转子直流 电动 机,与特制测 速发电机 唯一的差别是 定 标常数 的范 围稍稍宽一些。

所有 用 电刷来进行换向的测速发电机在它们的输出信号中出现有由换向器段所 引起的小幅度的尖峰信号这些尖峰信号 的重复频率要比工作频带的 频率高 得 多,所以不 会引起什么问题但是可以把这些尖峰信号有利地用来作定标之用可以利用这些尖峰信号来触发一个鉴别器,从而获得非常精确的数字式定标最好是能 避免那些并 不是绝 对需 要 的任何定 标调 节,尤其 就 多单元的 系统来说更是如此我们投入 了大量的力量在 一个电子 电路上,该 电路 对 固 定 电阻 具有均匀 的工作性能,只用一个电位计即可我们把造波机 设计成 多单元结 构,并 在一个窄的波 浪槽 中对 其 中一个单元进行了测试该单元的铰链浸入水中的深度是50 0m m,并 在频率为IHz时把它 调 到最 佳工作状 态,波 幅的 长期稳 定性表明是 令人满 意的即使使用一个 能 进行全 反 射 的陡 板而 产 生 完全的驻波,变化量也仅为千分 之几借鉴于这 个造波机单元在窄式波浪槽中的测 试情 况,我 们 改进了波 浪能 量 装置 的 样机,使得这 些 装 置 只 反射入射功率 的非常少的 一部分就 满尺度 的 系泊 力估 测 来说,这 一方法 获得 了很 好的结 果。

门曰 侧甲厂月门门曰门不一刁一___〔 一刃 }i厂一~{l图6。