CN101777279B - 一种规则波生成研究和教学用水槽 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种规则波生成研究和教学用水槽。其组成包括造波控制部分、波浪参数采集与分析处理部分和水槽主体结构，所述造波控制部分和波浪参数采集与分析处理部分与计算机相连，计算机中安装有造波控制软件和数据采集与分析处理软件；所述造波控制部分包括线性执行器和线性执行器控制器；所述波浪参数采集与分析处理部分包括波高仪传感器、波高仪控制器和数据采集器；所述水槽主体结构包括首槽体、可视造波段、槽端消波装置、造波摇板和尾槽体。本发明能够方便、快速地生成高质量规则波，能够精确的完成规则波参数的测量工作，造波机构简单，能耗低，效率高，满足规则波生成实验研究和教学需要。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种教学实验装置，具体地说是一种规则波生成实验研究和教学用水槽系统。
背景技术
国内外学者在规则波生成机理和生成手段上不断进行探索和研究。传统的规则波生成研究和实验教学多是在水池中进行。但是，水池中的实验需要动用大型仪器设备，需要较多的实验人员，波浪生成研究能耗大，用时长，效率低，不方便进行研究和实验教学。另外，目前实施素质教育，进行实验教学改革，实验室面向本科生开放，建立新型的现代规则波生成研究实验教学平台，是摆在相关高等学校面前的课题，如何建立规则波生成研究和教学用水槽系统成为解决上述问题的关键。
CNKI库中有一篇标题为“新型三维内波及分层流水槽系统”的论文，涉及水槽系统的功能主要是进行内波实验研究，涉及水槽系统本身不具备造波能力。
申请号为200810147663.0的专利文件中公开的技术方案包括主体、清水系统、浑水系统、进水系统、控制系统和出水口切换系统六大部分，主要用于多相流试验。主要功能是造多相流。
发明内容
本发明的目的在于提供一种造波能力强，生成规则波稳定，测试精度高，操作简单，效率高，能耗低的一种规则波生成研究和教学用水槽。
本发明的目的是这样实现的：
其组成包括造波控制部分、波浪参数采集与分析处理部分和水槽主体结构，所述造波控制部分和波浪参数采集与分析处理部分与计算机相连，计算机中安装有造波控制软件和数据采集与分析处理软件；所述造波控制部分包括线性执行器和线性执行器控制器；所述波浪参数采集与分析处理部分包括波高仪传感器、波高仪控制器和数据采集器；所述水槽主体结构包括首槽体、可视造波段、槽端消波装置、造波摇板和尾槽体；可视造波段连接于首槽体与尾槽体之间，造波摇板通过转轴安装在可视造波段内，线性执行器与造波摇板铰接并由线性执行器控制器控制；波高仪传感器安装在可视造波段内，波高仪传感器连接波高仪控制器和数据采集器后与计算机连接。
本发明还可以包括：
1、所述的首槽体和尾槽体的上部都设置有盖板，线性执行器固定在首槽体的盖板上。
2、首槽体与尾槽体之间设置有连通管。
本发明的规则波生成研究和教学用水槽的造波控制软件和数据采集与分析处理软件集成在一台计算机中。造波控制软件通过控制造波摇板运动的位移和频率，控制波浪生成；数据采集与分析处理软件通过数据采集器和波高仪采集生成波浪的周期和波高参数，通过实验，分析造波摇板运动与规则波参数的关系，开展规则波生成实验研究和教学。
对于造波控制部分：造波控制软件通过RS232电缆将造波摇板运动的位移和频率执令下载到线性执行控制器中，重新启动控制器，线性执行器推杆按照设定的参数推动造波摇板运动，生成规则波。
对于数据采集与分析处理部分：造波摇板运动击水后，水槽中形成稳定的规则波，数据采集器通过波高仪控制器采集波高仪传感器传出的电压信号，通过数据采集与分析处理软件将电压信号换算为对应的波谷、波峰、周期和波高。波高仪在使用前需要进行标定，得出“波高-电压”灵敏度系数，并输入数据采集与分析处理软件中。
水槽主体结构是规则波生成的载体空间，造波摇板绕转轴摇动击水，生成规则波，规则波从槽首造波摇板处经可视造波段传向槽端消波装置和尾槽体，在槽端经消波装置消波和尾槽体整流作用后，经连通管再次整流并实现弱流循环。
本发明具有较好的创新性和较强的实用性，并具有实质性特点，能够方便、快速地生成高质量规则波，能够精确的完成规则波参数的测量工作，造波机构简单，能耗低，效率高，满足规则波生成实验研究和教学需要。
附图说明
图1水槽系统硬件组成结构示意图；
图2水槽系统数据流程图；
图3造波摇板及附属装置结构示意图；
图4槽端消波装置结构示意图；；
图5周期为0.45s时的摆幅-波高曲线；
图6摆幅为26mm时摇板周期-波浪周期曲线。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
结合图1-4，本发明的主要组成包括：1.计算机，2.线性执行器，3.线性执行控制器，4.波高仪传感器，5.数据采集器，6.波高仪控制器，7.首槽体，8.可视造波段，9.端消波装置，10.尾槽体，11.转轴，12.连通管，13.造波摇板，14.连接座，15.轴套，16.搭板，17.消波网，18.铝框架。
1、系统硬件：
计算机
规则波生成研究和教学用水槽系统，其波浪生成控制和波高、周期参数的采集在一台计算机上实现。计算机1采用方正文祥E630品牌机，CPU板为英特尔奔腾4，主频2.806Hz，内存256M，独立显卡64M。一个网络口，两个串行口，两个并行口，两个1394口。
造波控制部分硬件
线性执行器2和线性执行控制器3采用PARKER线性执行器和线性执行控制器，工作功率为500W，工作电压220伏。
规则波参数采集与分析处理部分硬件
波高仪采用加拿大RBR公司的WG-50电容式波高仪，由波高仪传感器4、波高仪控制器6组成，供电电压12伏。波高仪测量波高精度可达到0.4％，测量线性度0.2％，能够满足水槽波浪信号采集需要。
数据采集使用东昊DH5922数据采集器5，其硬件组成包括：直流电压放大器、抗混滤波器，A/D转换器，缓冲储存器以及采样控制和计算机通讯的全部硬件。外形尺寸宽×高×深＝236mm×88mm×317mm。
水槽主体结构部分
水槽主体结构主要从波浪生成、波浪观察、波浪参数测量、结构强度和消除对波浪干扰等方面考虑。如图1所示，首槽体7采用角钢骨架结构，钢板壁面，具有相对宽敞的整流空间，槽体顶端设有盖板，用于安装线性执行器2；可视造波段8采用角钢骨架结构，玻璃壁面，方便规则波的生成观察，横向设有4根角钢骨架，玻璃为透明钢化玻璃；尾槽体10采用角钢骨架结构，钢板壁面，具有相对较大的整流空间，槽体上设有盖板，用来防止水飞溅；连通管12位于可视造波段8下方，首槽体7和尾槽体10之间，保证了水槽内水的连通，并对消除槽端干扰起到一定作用，连通管为钢质材料。
如图1和图3所示，水槽系统采用摇板13造波，板体材质为有机硬塑料。造波摇板13下端固连有轴套15，轴套15与转轴11套连，线性执行器2通过连接座14，推动造波摇板13绕转轴11转动。转轴11为钢质材料，距槽底一定距离。
如图1和图4所示，端消波装置9用来消除反射波干扰，采用铝框架矩形箱体结构，宽度与水槽可视造波段8宽度相等。铝框架18在四周和底部布消波网17，内部不规则堆网，网面材料为直径0.2毫米的尼龙丝，网孔面积0.5mm×0.5mm，铝框架18和消波网17形成的矩形箱体通过搭板16挂于可视造波段8的末端。
2、系统软件：
摇板控制软件
摇板控制软件由两部份组成：上位机编译软件EASI-V和下位机执行软件。在上位机集成编译环境中使用PARKER自带的编程语言进行参数设定，控制线性执行器2(造波摇板13)运动的位移和频率，控制程序调试编译成功后，再通过RS232电缆下载到PARKER线性执行器的控制器内存中。重新启动PARKER的控制器，下位机执行软件按照内存中的程序来执行所设定的运动，实现对造波摇板的运动控制。
数据采集与分析处理软件
在Windows操作系统下采用DH5922动态信号分析软件进行数据采集与分析处理。造波板绕转轴转动，击水生波，液面出现高低起伏，固定于可视造波段中部的波高仪传感器感应电压随液面高低起伏发生变化，并通过波高仪控制器输出电压变化，DH5922动态信号分析软件根据电压信号，实时分析波高变化，输出规则波生成曲线，分析曲线数据，获得规则波参数。
水槽系统数据流程如图2所示。
采用本发明的一种规则波生成研究和教学用水槽系统进行波浪生成实验研究和教学的过程及步骤：
试验前，用水管向水槽内充水，按图1连接好水槽系统，并给系统供电。打开电子计算机1、线性执行控制器3、数据采集器5、波高仪控制器6、造波控制软件和数据采集与分析处理软件。
试验时，在造波控制软件内改变造波摇板13运动的位移和频率，控制程序调试编译成功后，通过RS232电缆下载到线性执行控制器3中；数据采集与分析处理软件处于准备采集状态；关闭线性执行控制器3，等待几秒后重新启动线性执行控制器3，此时，在线性执行控制器3的控制下，线性执行器2推动造波摇板13绕转轴11转动，击水生波；然后，令数据采集与分析处理软件采集并记录波浪参数，通过钢板尺和秒表记录造波摇板13的摆幅和周期，开展规则波生成研究。
试验结束后，关闭电子计算机1、线性执行控制器3、数据采集器5、波高仪控制器6、造波控制软件和数据采集与分析处理软件，用水管将水槽内的水泵出。
按照上述的水槽系统设计，已经进行了规则波生成研究与教学实验。图5给出了周期为0.45s时的摆幅-波高曲线，图6给出了摆幅为26mm时摇板周期-波浪周期曲线。
Claims (1)
1.一种规则波生成研究和教学用水槽，其特征是：其组成包括造波控制部分、波浪参数采集与分析处理部分和水槽主体结构，所述造波控制部分和波浪参数采集与分析处理部分与计算机相连，计算机中安装有造波控制软件和数据采集与分析处理软件；所述造波控制部分包括线性执行器和线性执行器控制器；所述波浪参数采集与分析处理部分包括波高仪传感器、波高仪控制器和数据采集器；所述水槽主体结构包括首槽体、可视造波段、槽端消波装置、造波摇板和尾槽体；可视造波段连接于首槽体与尾槽体之间，造波摇板通过转轴安装在可视造波段内，线性执行器与造波摇板铰接并由线性执行器控制器控制；波高仪传感器安装在可视造波段内，波高仪传感器连接波高仪控制器和数据采集器后与计算机连接；所述的首槽体和尾槽体的上部都设置有盖板，线性执行器固定在首槽体的盖板上；首槽体与尾槽体之间设置有连通管，连通管位于可视造波段下方，连通管为钢质材料；所述槽端消波装置用铝框架矩形箱体结构，宽度与水槽可视造波段宽度相等，在铝框架四周和底部布消波网，内部有不规则堆网，网面材料为直径0.2毫米的尼龙丝，网孔面积0.5mm×0.5mm，铝框架和消波网形成的矩形箱体通过搭板挂于可视造波段的末端。
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