CN103007542B - 一种冲浪系统及其参数的优化计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于仿真冲浪技术领域，提供了一种易于控制水流的冲浪系统以及冲浪参数的优化计算方法，采用的技术方案为：一种冲浪系统，包括喷水装置、弧形的滑道、落水台、过道和阶梯，喷水装置、滑道和落水台依次设置，滑道的两侧均设置有过道，过道的两侧均设置有阶梯，所述喷水装置的结构为：流线型喷嘴水室的底部与水泵的出水口相连，喷嘴水室的顶部连接有喷嘴，所述喷嘴水室与喷嘴的连接弯度为90°，所述喷嘴的内下缘与水平方向的夹角为α，所述α的夹角范围为30°-80°，所述喷嘴与滑道的入水口相适应安装，喷嘴的顶部安装有调节喷嘴大小的阀门，另外本发明还公布了冲浪参数的优化计算方法，本发明主要用于仿真冲浪。

Description

一种冲浪系统及其参数的优化计算方法

技术领域

本发明一种冲浪系统及其参数的优化计算方法，属于仿真冲浪技术领域。

背景技术

随着人们生活水平的不断提高，各种健身娱乐设施也不断呈现在人们眼前，水中冲浪是一项激烈、刺激而令人兴奋的运动，由于环境和地域的局限，在大多地方不易展开。传统的一些仿真冲浪装置，通过电机带动一些传动部件运动，人站在仿真冲浪支架上模仿冲浪，通过在仿真冲浪支架上安装运动装置带动其上下、左右晃动达到仿真冲浪的形式，仿真度不够高，这种装置中并没有水浪激起，仅仅是一种冲旱浪的形式，仿真度不够高。授权公开号CN200942290Y公开了一种仿真冲浪装置，水流通过出水装置从斜面体的斜面涌出，出水装置将水流引出的同时对水流起到了一个较强的推动作用，将水流沿斜面体的方向向上推出，这样使斜面提上的水流形成了仿真的海浪，人们脚踏冲浪板站在斜面体上，水浪推动冲浪板而带动身体向斜面顶部运动，当人到达斜面一定高度时，水流的冲力与人体的重力保持平衡，此时，人与斜面体相对处于静止状态，通过电脑系统控制传动装置带动斜面体向左、右或上、下方向摆动以增强仿真效果，但是这种装置人不能随波逐流，根本达不到弄潮的效果，冲浪者一身本领不能充分发挥，冲浪很难尽兴，且这种装置的结构复杂，运作成本高。

现有的冲浪系统，水流直接由水泵口喷出，不易控制，然而水流的流量、流速以及水在收缩斜面的深度等冲浪参数直接影响到冲浪效果，故如何确定冲浪系统的优化参数是冲浪系统急需解决的问题。

本发明的启发点是闸门出流与冲浪的结合，现在的发明领域关系到模拟冲浪设备的技术和方法，在每个细节部分，此技术方法和设备为了使变化的水深与水斜面连接，大流量水泵的安装方式采用斜式安装和立式安装与过水室有利结合，接近于流线型的过水室水流阻力干扰更小，故水流收缩完善很多。另外下泄水流坎的挑射角度也关系到水斜面上水的深度和速度，在行进过程中由于摩擦阻力的作用而消耗部分动能在水斜面高处形成水跃，冲浪者也可以在水跃上做冲浪活动。

发明内容

本发明一种冲浪系统及其参数的优化计算方法，克服了现有技术存在的不足，提供了一种易于控制水流的冲浪系统以及冲浪参数的优化计算方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种冲浪系统,包括喷水装置、弧形的滑道、落水台、过道和阶梯，喷水装置、滑道和落水台依次设置，滑道的两侧均设置有过道，过道的两侧均设置有阶梯，所述喷水装置的结构为：流线型喷嘴水室的底部与水泵的出水口相连，喷嘴水室的顶部连接有喷嘴，所述喷嘴水室与喷嘴的连接弯度为90°，所述喷嘴的内下缘与水平方向的夹角为α，所述α的夹角范围为30°—80°，所述喷嘴与滑道的入水口相适应安装，喷嘴的顶部安装有调节喷嘴大小的阀门；

所述落水台下方设置有蓄水池，所述水泵的入水口通过管道与蓄水池相通。

所述滑道包括水流下泄坎和斜坡，水流下泄坎呈下斜面，其倾斜度为10°—20°，所述斜坡与水流下泄坎弧形过渡，所述斜坡为向上斜面，倾斜角度为10°—20°。

所述滑道包括直流段和倾斜段，直流段为水平面，所述喷嘴与直流段相适应设置，所述倾斜段与直流段弧形过渡，所述倾斜段为向上斜面，倾斜角度为10°—20°。

所述水泵竖直设置，或为水平设置。

所述过道的两侧边缘均设置有防护围墙。

所述喷嘴水室的截面为矩形，宽度为2～3m。

所述喷嘴的开度为30～70mm。

所述喷嘴可以有多个喷水孔，多个喷水孔并排安放。

本发明一种上述冲浪系统参数的优化计算方法，按照下述步骤进行冲浪系统参数优化计算：

第一步，确定流量系数μ；

根据流体力学理论，当喷嘴为弧形闸门时，流量系数μ为：

$\mathrm{\μ}=\frac{e_1}{H}$

其中，e₁—喷嘴开度，m；

H—闸口水深，m；

特别地，若按照南京水利科学研究所的经验公式计算流量系数μ，当喷嘴为宽顶堰的上弧形阀门时，流量系数μ为：

$\mathrm{\μ}=0.60-0.176\frac{e_1}{H}+(0.15-0.2\frac{e_1}{H})\cos \mathrm{\α}$ 当cosα＝0～0.3时，

$\mathrm{\μ}=0.545-0.136\frac{e_1}{H}+0.334(1-\frac{e_1}{H})\cos \mathrm{\α}$ 当cosα＝0.3～0.7时，

上两式适用条件：

e₁—喷嘴开度，m；

H—闸口水深，m；

α—喷嘴的内下缘与水平方向的夹角；

第二步，确定水流通过喷嘴时的流速：

其中，—流速系数；

g—重力加速度，N/kg；

Z—落差，m；

第三步，确定水流通过喷嘴后在收缩斜面的水深：

h＝ε·e₁

其中，e₁—喷嘴开度，m；

ε—垂直收缩系数；

第四步，确定水通过喷嘴喷水孔时的流量：

$Q=\mathrm{\μbe}\sqrt{2\mathrm{gH}}$

μ—流量系数；

b—喷孔宽度，m；

e—喷孔高度，m；

g—重力加速度，N/kg；

H—闸口水深，m；

第五步，根据第二步和第三步的计算结果确定福禄数Fr，水从喷嘴流出时能达到急流的效果，并在斜面最高处产生稳定水跃，需Fr＝4.5～9，根据此数值选择水泵的流量；

$\mathrm{Fr}=\frac{v}{\sqrt{\mathrm{gh}}}$

其中，v—水通过喷嘴时的流速，m/s；

g—重力加速度，N/kg；

h—收缩斜面的水深,m；

第六步，水从喷嘴流出时能达到急流的效果，并在斜面最高处产生稳定水跃，需Fr＝4.5～9，将此Fr＝4.5～9与第五步中计算得到的福禄数Fr进行对比；若第五步中计算得到的福禄数Fr落在Fr＝4.5～9的范围内，则可根据第五步中计算得到的福禄数Fr，确定水泵的流量范围；否则，需重新计算第五步中的福禄数Fr，直至第五步中计算得到的福禄数Fr落在Fr＝4.5～9的范围内；

第七步，根据第六步中确定的水泵的流量范围，假设一个具体的水泵流量数值q,根据该水泵流量q计算单宽流量Qv，即：

$\mathrm{Qv}=\frac{q}{b},$

其中，b—喷孔宽度，m；

第八步，通过第七步中得到的单宽流量Qv，确定水流通过喷嘴后在收缩斜面的水深h；

$h=\frac{\mathrm{Qv}}{v},$

v—水通过喷嘴时的流速，m/s；

第九步，根据第七步和第八步的计算结果，重新计算福禄数Fr；

$\mathrm{Fr}=\frac{v}{\sqrt{\mathrm{gh}}}$

其中，v—水通过喷嘴时的流速，m/s；

g—重力加速度，N/kg；

h—收缩斜面的水深,m；

第十步，验算；将第九步中得到的福禄数Fr与第五步中计算得到的福禄数Fr进行对比，若二者相等，则说明假设的水泵流量q合适，否则，需重新假设水泵流量q，直至二者相等为止。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

1、本发明在原有冲浪装置的水泵上增设喷嘴水室和喷嘴，且喷嘴的喷水方向与滑道相切，使从水泵流出的水流经流线型的喷嘴水室后从喷嘴流出，沿滑道的切线方向进入滑道，通过喷嘴上的阀门可调节进入滑道的水流速度和水流深度，并在过道的两侧设置防护围墙既能防止水流外溢还能协助冲浪者穿过冲浪池，本发明通过控制水流可达到很好的冲浪效果。

2、本发明将影响冲浪的参数进行优化设计，如喷嘴水室与喷嘴90°弧形过渡，可最大程度的较小水的阻力，将喷嘴的内下缘与水平方向的夹角α设计为30°-80°，喷嘴开度与宽度的设计和喷嘴水流下泄坎角度为10°—20°，以及水流在喷嘴出流后的水流流量和水流流速以及水流在收缩斜面的水深的参数进行优化设计，并根据这些参数选择水泵流量，从而使从喷嘴喷出的水流能达到急流效果，量化了冲浪系统，使冲浪系统的控制更加容易。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1为本发明的结构示意图，也是本发明实施例1的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为本发明实施例2的结构示意图。

图中，1为喷水装置、2为滑道、3为落水台、4为喷嘴水室、5为水泵、6为喷嘴、7为水流下泄坎、8为斜坡、9为蓄水池、10为直流段、11为倾斜段、12为过道、13为阶梯、14为阀门、15为防护围墙。

具体实施方式

实施例一

如图1、图2所示，本发明一种冲浪系统,包括喷水装置1、弧形的滑道2、落水台3、过道12和阶梯13，喷水装置1、滑道2和落水台3依次设置，滑道2的两侧均设置有过道12，过道12的两侧均设置有阶梯13，所述喷水装置1的结构为：流线型喷嘴水室4的底部与水泵5的出水口相连，喷嘴水室4的顶部连接有喷嘴6，所述喷嘴水室4与喷嘴6的连接弯度为90°，所述喷嘴6的内下缘与水平方向的夹角为α，所述α的夹角范围为30°—80°，所述喷嘴6与滑道2的入水口相适应安装，喷嘴6的顶部安装有调节喷嘴大小的阀门14；

当α夹角很大且最大不超过80°时，e₁/H相同，弧形闸门的流量系数大与平板闸门流量系数。

所述落水台3下方设置有蓄水池9，所述水泵5的入水口通过管道与蓄水池9相通。

所述滑道2包括水流下泄坎7和斜坡8，水流下泄坎7呈下斜面，其倾斜度为10°—20°，所述斜坡8与水流下泄坎7弧形过渡，所述斜坡8为向上斜面，倾斜角度为10°—20°

所述水泵5竖直设置。

所述过道12的两侧边缘均设置有防护围墙15。

所述喷嘴水室4的截面为矩形，宽度为2～3m。

所述喷嘴6的开度为30～70mm。

所述喷嘴6可以有多个喷水孔，多个喷水孔并排安放。

实施例二

如图3所示，本发明一种冲浪系统,包括喷水装置1、弧形的滑道2、落水台3、过道12和阶梯13，喷水装置1、滑道2和落水台3依次设置，滑道2的两侧均设置有过道12，过道12的两侧均设置有阶梯13，所述喷水装置1的结构为：流线型喷嘴水室4的底部与水泵5的出水口相连，喷嘴水室4的顶部连接有喷嘴6，所述喷嘴水室4与喷嘴6的连接弯度为90°，所述喷嘴6的内下缘与水平方向的夹角为α，所述α的夹角范围为30°—80°，所述喷嘴6与滑道2的入水口相适应安装，喷嘴6的顶部安装有调节喷嘴大小的阀门14；

所述落水台3下方设置有蓄水池9，所述水泵5的入水口通过管道与蓄水池9相通。

当α夹角很大且最大不超过80°时，e₁/H相同，弧形闸门的流量系数大与平板闸门流量系数。

所述滑道2包括直流段10和倾斜段11，直流段10为水平面，所述喷嘴6与直流段10相适应设置，所述倾斜段11与直流段10弧形过渡，所述倾斜段11为向上斜面，倾斜角度为10°—20°。

所述水泵5水平设置。

所述过道12的两侧边缘均设置有防护围墙15。

所述喷嘴水室4的截面为矩形，宽度为2～3米。

所述喷嘴6的开度为30～70mm。

所述喷嘴6可以有多个喷水孔，多个喷水孔并排安放。

本发明一种上述冲浪系统参数的优化计算方法，按照下述步骤进行冲浪系统参数优化计算：

第一步，按照南京水利科学研究所的经验公式计算流量系数μ，

当喷嘴为弧形闸门时，图2流量系数μ为：

$\mathrm{\μ}=\frac{e_1}{H}$

e₁—喷嘴开度，m；

H—闸口水深，m；

特别地，当喷嘴为宽顶堰的上弧形阀门时，如图2所示，流量系数μ为：

$\mathrm{\μ}=0.60-0.176\frac{e_1}{H}+(0.15-0.2\frac{e_1}{H})\cos \mathrm{\α}$ 当cosα＝0～0.3时，

$\mathrm{\μ}=0.545-0.136\frac{e_1}{H}+0.334(1-\frac{e_1}{H})\cos \mathrm{\α}$ 当cosα＝0.3～0.7时，

上两式适用条件：

e₁—喷嘴开度，m；

H—闸口水深，m；

α—喷嘴的内下缘与水平方向的夹角；

图1、图3设计结构为曲线型实用堰的闸孔出流，流量系数μ可按表参考选用。

曲线型实用堰顶弧形闸门的流量系数μ值

宽顶堰型闸门自由流的流量系数与垂直收缩系数和流速系数有关，所以综合反映水流能量损失和收缩程度的流量系数μ值，应决定于闸底坎的形式、闸门的类型和闸孔相对开度e₁/H值。

弧型闸门自由流的流量系数与垂直收缩系数和流速系数有关，所以综合反映水流能量损失和收缩程度的流量系数μ值，应决定于闸底坎的形式、闸门的类型和闸孔相对开度e₁/H值。

第二步，确定水流通过喷嘴时的流速：

其中，—流速系数；

g—重力加速度，N/kg；

Z—落差，m；

取＝0.95，g＝9.8N/kg，Z＝1m,得到v＝4.2m/s。

第三步，确定水流通过喷嘴后在收缩斜面的水深：

h＝ε·e₁

其中，e₁—喷嘴开度，m；

ε—平板闸门或弧形闸门收缩系数；

取e₁＝0.04m—0.07m，ε＝0.645或0.62，

得出h＝0.03—0.05m。

第四步，确定水通过喷嘴喷孔时的流量：

$Q=\mathrm{\μbe}\sqrt{2\mathrm{gH}}$

μ—流量系数，包括底坎为宽顶堰型弧形闸门流量系数与曲线型实用堰弧形闸门流量系数；

b—喷孔宽度，m；

e—喷孔高度，m；

g—重力加速度，N/kg；

H—闸口水深，m；

取μ＝0.66，b＝3m，e＝0.04m，g＝9.8N/kg，H＝0.05m，

得出喷嘴喷孔的流量Q＝0.078m³/s。

第五步，根据第二步和第三步的计算结果确定福禄数Fr，水从喷嘴流出时能达到急流的效果，并在斜面最高处产生稳定水跃，需Fr＝4.5～9，根据此数值选择水泵的流量；

$\mathrm{Fr}=\frac{v}{\sqrt{\mathrm{gh}}}$

其中，v—水通过喷嘴时的流速，m/s；

g—重力加速度，N/kg；

h—收缩斜面的水深,m；

v＝4.2m/s，h＝0.03—0.05m，g＝9.8N/kg，

得出Fr＝6～7.75。

本发明一种冲浪系统参数的优化计算方法中，Fr＝6～7.75时，使水流从喷嘴流出时能达到急流的效果，并在斜面最高处产生稳定水跃，所以水泵的流量必须符合上述计算结果，本方法中通过假设水泵的流量q，根据上面第一到第四步的计算结果，最后也得出一个Fr，若该Fr的数值在6～7.75时，则假设成立，否则，假设不成立，重新假设水泵的流量q，直至假设成立，此时水泵的流量q即为该假设值。具体假设计算过程如下：

第一步：确定单宽流量Qv，

假设水泵的额定流量q为3000m³/h，即q＝0.833m³/s，喷嘴宽度b＝3m，

单宽流量得到Qv＝0.278m³/s·m；

第二步：确定水流通过喷嘴后在收缩斜面的水深h，

$h=\frac{\mathrm{Qv}}{v},$

已知：v＝4.2m/s，Qv＝0.278m³/s·m，

得到h＝0.066m；

第三步：确定福禄数Fr，

$\mathrm{Fr}=\frac{v}{\sqrt{\mathrm{gh}}}$

已知g＝9.8N/kg，

根据上述计算结果：v＝4.2m/s，h＝0.066m，得到Fr＝5.22。

说明假设不成立，并很容易看出假设的水泵额定流量偏大，因而可选择额定流量小于3000m³/h的水泵，或调整喷孔宽度b以及喷孔高度e,直至福禄数Fr＝6～7.75为止，在此就不再一一叙述。

上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出相应调整。例如，通过调整喷孔的宽度b以及喷孔高度e，随之改变单宽流量Qv和喷嘴喷孔的流量Q，也能达到本发明所要求的效果。

Claims (9)

1.一种冲浪系统,包括喷水装置(1)、弧形的滑道(2)、落水台(3)、过道(12)和阶梯(13)，喷水装置(1)、滑道(2)和落水台(3)依次设置，滑道(2)的两侧均设置有过道(12)，过道(12)的两侧均设置有阶梯(13)，其特征在于,所述喷水装置(1)的结构为：流线型喷嘴水室(4)的底部与水泵(5)的出水口相连，喷嘴水室(4)的顶部连接有喷嘴(6)，所述喷嘴水室(4)与喷嘴(6)的连接弯度为90°，所述喷嘴(6)的内下缘与水平方向的夹角为α，所述α的夹角范围为30°—80°，所述喷嘴(6)与滑道(2)的入水口相适应安装，喷嘴(6)的顶部安装有调节喷嘴大小的阀门(14)；

所述落水台(3)下方设置有蓄水池(9)，所述水泵(5)的入水口通过管道与蓄水池(9)相通。

2.根据权利要求1所述的一种冲浪系统，其特征在于：所述滑道(2)包括水流下泄坎(7)和斜坡(8)，水流下泄坎(7)呈下斜面，其倾斜度为10°—20°，所述斜坡(8)与水流下泄坎(7)弧形过渡，所述斜坡(8)为向上斜面，倾斜角度为10°—20°。

3.根据权利要求1所述的一种冲浪系统，其特征在于：所述滑道(2)包括直流段(10)和倾斜段(11)，直流段(10)为水平面，所述喷嘴(6)与直流段(10)相适应设置，所述倾斜段(11)与直流段(10)弧形过渡，所述倾斜段(11)为向上斜面，倾斜角度为10°—20°。

4.根据权利要求2或3所述的一种冲浪系统，其特征在于：所述水泵(5)竖直设置，或为水平设置。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种冲浪系统，其特征在于：所述过道(12)的两侧边缘均设置有防护围墙(15)。

6.根据权利要求5所述的一种冲浪系统，其特征在于：所述喷嘴水室(4)的截面为矩形，宽度为2～3m。

7.根据权利要求6所述的一种冲浪系统，其特征在于：所述喷嘴(6)的开度为30～70mm。

8.根据权利要求7所述的一种冲浪系统，其特征在于：所述喷嘴(6)可以有多个喷水孔，多个喷水孔并排安放。

9.一种如权利要求1-8的冲浪系统参数的优化计算方法，其特征在于：按照下述步骤进行冲浪系统参数优化计算：

第一步，确定流量系数μ；

根据流体力学理论，当喷嘴为弧形闸门时，流量系数μ为：

$\mathrm{\μ}=\frac{e_1}{H}$

其中，e₁—喷嘴开度，m；

H—闸口水深，m；

若按照南京水利科学研究所的经验公式计算流量系数μ，则：

当喷嘴为宽顶堰的上弧形阀门时，流量系数μ为：

$\mathrm{\μ}=0.60-0.176\frac{e_1}{H}+(0.15-0.2\frac{e_1}{H})\cos \mathrm{\α}$ 当cosα＝0～0.3时，

$\mathrm{\μ}=0.545-0.136\frac{e_1}{H}+0.334(1-\frac{e_1}{H})\cos \mathrm{\α}$ 当cosα＝0.3～0.7时，上两式适用条件：

e₁—喷嘴开度，m；

H—闸口水深，m；

α—喷嘴的内下缘与水平方向的夹角；

第二步，确定水流通过喷嘴时的流速：

其中，—流速系数；

g—重力加速度，N/kg；

Z—落差，m；

第三步，确定水流通过喷嘴后在收缩斜面的水深：

h＝ε·e₁

其中，e₁—喷嘴开度，m；

ε—垂直收缩系数；

第四步，确定水通过喷嘴喷水孔时的流量：

$Q=\mathrm{\μbe}\sqrt{2\mathrm{gH}}$

μ—流量系数；

b—喷孔宽度，m；

e—喷孔高度，m；

g—重力加速度，N/kg；

H—闸口水深，m；

第五步，根据第二步和第三步的计算结果确定福禄数Fr；

$\mathrm{Fr}=\frac{v}{\sqrt{\mathrm{gh}}}$

其中，v—水通过喷嘴时的流速，m/s；

g—重力加速度，N/kg；

h—收缩斜面的水深,m；

第六步，水从喷嘴流出时能达到急流的效果，并在斜面最高处产生稳定水跃，需Fr＝4.5～9，将此Fr＝4.5～9与第五步中计算得到的福禄数Fr进行对比；若第五步中计算得到的福禄数Fr落在Fr＝4.5～9的范围内，则可根据第五步中计算得到的福禄数Fr，确定水泵的流量范围；否则，需重新计算第五步中的福禄数Fr，直至第五步中计算得到的福禄数Fr落在Fr＝4.5～9的范围内；

第七步，根据第六步中确定的水泵的流量范围，假设一个具体的水泵流量数值q,根据该水泵流量q计算单宽流量Qv，即：

$\mathrm{Qv}=\frac{q}{b},$

其中，b—喷孔宽度，m；

第八步，通过第七步中得到的单宽流量Qv，确定水流通过喷嘴后在收缩斜面的水深h；

$h=\frac{\mathrm{Qv}}{v},$

v—水通过喷嘴时的流速，m/s；

第九步，根据第七步和第八步的计算结果，重新计算福禄数Fr；

$\mathrm{Fr}=\frac{v}{\sqrt{\mathrm{gh}}}$

其中，v—水通过喷嘴时的流速，m/s；

g—重力加速度，N/kg；

h—收缩斜面的水深,m；

第十步，验算；将第九步中得到的福禄数Fr与第五步中计算得到的福禄数Fr进行对比，若二者相等，则说明假设的水泵流量q合适，否则，需重新假设水泵流量q，直至二者相等为止。