CN103575500A - 一种水平摇板式内波造波装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种水平摇板式内波造波装置，包括造波机构、控制与测量系统、机座三部分，该造波机构为水平摇板式造波机构，摇板置于双层流液面交界处，采用曲柄摇杆机构进行驱动，能够在双层流交界面上下进行往复造波运动，生成周期性内波；该控制与测量系统为造波机构提供控制信号，并且反馈电机运动频率；该机座为造波机构和测量系统提供支撑，使得整个装置合为一体，并具有消波功能。本发明摇板能够在双层流交界面处进行复杂的造波运动，从而生成周期性内波，真实的模拟海洋内波，在生成内波的同时并无表面波的产生，完全消除了以往实验中表面波的干扰。该装置结构简单、操作方便、运动精度高、能耗低，有着良好的应用和市场价值。

Description

一种水平摇板式内波造波装置

技术领域

本发明涉及的是一种实验装置，具体地说是生成周期性内波的实验装置。

背景技术

海洋内波作为海洋中的一种中尺度波动，是物理海洋学各种尺度现象中的重要一环，同时也是在建立海洋水动力学模型时必须考虑的要素之一。随着越来越多的海洋结构物工作于深海，研究海洋内波对于各类海洋结构物的作用显得越来越重要。特别是对于水下航行器，研究海洋内波对其的作用，了解内波对于结构物的破坏机理，可以很大程度上减少海洋内波对其的威胁。海洋内波的实验室模拟作为验证内波理论的重要方法，也是解决各类内波相关问题的重要手段。采用双层流模式来模拟海洋内波是目前研究其传播、破碎特性及与海洋结构物的相互作用的一种重要实验方法。实验中所生产内波质量的好坏将直接影响实验结果的准确性和可靠度。

目前，各类海洋工程实验室用于产生内波的实验水槽大致可以分为两种：连续分层水槽和间断分层水槽。连续分层水槽通常采用盐水作为连续分层流体，所生成内波为非线性波，能够较为真实的模拟海洋内波的各种特征，但是其分层方式复杂，实验准备时间长，而且盐水只能利用一次，实验成本高。间断分层水槽生成的内波虽然不能准确反应海洋内波特性，但其在内波的理论验证和作用机理研究方面有着独特的优势，而且实验准备时间短，水槽内分层液体可以重复使用，实验成本低且环保。

内波实验室造波装置一般用于生成周期性内波和内孤立波。目前实验室通常采用冲箱式、摇板式、推板式三种造波方法来生成周期性内波，但是它们在生成内波的同时也会产生表面波，这必然会影响分层流表面的水动力学特征，对内波的传播造成影响，同时这也将会对实验数据的分析和采集产生较大干扰，影响实验结果。

发明内容

本发明的目的在于提供克服现有分层流水槽周期性内波造波机在生成内波的同时也生成表面波，以及表面波干扰实验数据采集和测量等不足的一种水平摇板式内波造波装置。

本发明的目的是这样实现的：

本发明一种水平摇板式内波造波装置，其特征是：包括造波机构、控制与测量系统、机座；造波机构包括电机、曲柄、摇杆、摇板，摇板上安装两片角铝，摇杆的下端通过下球形接头安装于两片角铝之间，曲柄的一端固定在电机的转轴上，另一端上设置连接孔，摇杆的上端通过上球形接头安装在连接孔里；控制与测量系统包括计算机、单片机、稳压直流电源、电机驱动器、编码器，计算机与单片机相连，单片机分别连接电机驱动器和编码器，电机驱动器和稳压直流电源均连接电机，编码器连接转动轴，电机的转轴上固定有第一齿轮，转动轴固定有第二齿轮，第一齿轮与第二齿轮想啮合；机座包括造波机箱、编码器支座、电机保护架，造波机箱包括左右两个侧壁板、后侧后壁板以及前侧水面垂向消波板，两个侧壁板之间安装斜置消波板，斜置消波板的斜上方设置铰链安装梁，铰链安装梁固定在两个侧壁板之间，铰链安装梁上安装第一铰链，摇板的端部安装第二铰链，第一铰链与第二铰链相配合，两个侧壁板的上端部之间安装电机座，电机固定在电机座上，电机座上设置有摇杆孔，摇杆穿过摇杆孔，电机保护架包括顶板、支撑板、轴承，支撑板呈倒勾型，在其上有一轴承安装槽，轴承安装于轴承安装槽内，转动轴与轴承相配合，支撑板下端与造波机箱的两个侧壁板上端部相连，顶板安装在支撑板上面，编码器支座包括座平板、U型端板，支座平板安装在U型端板的上端部，编码器通过编码器安装座安装在支座平板上，U型端板与电机保护架相连。

本发明还可以包括：

1、造波机箱的后壁板、斜置消波板、水面垂向消波板上均均匀的设置有孔。

2、所述的孔为六边形孔。

3、曲柄的连接孔有两个或两个以上，通过调换与摇杆上端所配合的连接孔，从而调节摇板的摇幅。

本发明的优势在于：本发明装置造波装置采用水平摇板式造波方法，摇板水平位置与分层流交界面重合，采用曲柄摇杆机构驱动摇板做周期性往复运动，在交界面处生成周期性内波。通过计算机的上位机软件可以控制电机运动频率，由于采用了齿轮传动，使得编码器转轴转速与电机转速一致，使得电机运动频率测量得以实现，在曲柄上有若干安装孔，通过调节连杆球形接头的连接位置便可以改变摇板的摇幅，这样就能够生成不同波幅不同频率的周期性内波。

上述造波装置结构简单，制作和操作方便，稳定性好，易于控制，能够生成各种不同波幅和频率的周期性内波，特别是在实验过程中并无表面波的生成，既减少了表面波对于数据测量的影响，又节约了能源，可以更好的满足实验对于海洋内波模拟的需求，具有良好的实用和市场价值。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的水平摇板造波工作原理示意图；

图3为本发明的俯视图；

图4为本发明的侧视图；

图5为本发明的正视图；

图6为本发明的造波机箱结构示意图；

图7为本发明的编码器支架结构示意图；

图8为本发明的电机保护架结构示意图；

图9为本发明的造波机构结构示意图；

图10为实际造波示例示意图。

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1～10，本发明所提供的一种水平摇板式内波造波装置，总体结构图如图1所示，包括造波机构、控制与测量系统、机座三部分，该造波机构为水平摇板式造波机构，摇板平衡位置位于双层流液面交界处，采用曲柄摇杆机构进行驱动，使得摇板能够在双层流交界面处绕铰链转轴做往复造波运动，生成周期性内波；该控制与测量系统为造波机构提供控制信号，并且反馈电机运动频率；该机座为造波机构和测量系统提供支撑，使得整个装置合为一体，在造波机箱的端板、斜置消波板、水面垂向消波板上均匀分布有六边形孔，具有消波功能。

本发明装置的主要组成包括：计算机1、单片机2、电机驱动器3、稳压直流电源4、编码器5、联轴器6、转轴7、齿轮8、曲柄9、顶板10、支撑板11、轴承12、电机座13、球形接头14、摇杆15、侧壁板16、斜置消波板17、下部支撑梁18、摇板19、水面垂向消波板20、上部支撑梁21、角铝22、垫板23、U型端板24、L型侧壁板25、支座平板26、编码器安装座27、电机28、端板29、电机卡子30、铰链31、铰链安装梁32。

如图9所示，造波机构主要由电机28、曲柄9、摇杆15、摇板19组成；电机28通过电机卡子30固定于电机座13上；摇板19呈长方形，在摇板19一侧关于中线对称位置安装有两片角铝22，摇板19该侧底部安装有铰链31，使得摇板19可以绕铰链轴做往复造波运动；摇杆15两端安装有球形接头14，摇杆15一端球形接头14与曲柄9相连，另一端球形接头14与摇板19上的角铝22相连；所述曲柄9上有一排连接孔，通过变换球形接头14的安装位置，可以调节摇板19摇幅。在本实施例中电机28选用的是瑞立集团有限公司生产的RLD62B-021型雨刮器电机，摇板19长220mm，宽184mm，厚8mm，采用亚克力板雕刻而成。

控制与测量系统由计算机1、单片机2、稳压直流电源4、电机驱动器3、编码器5、联轴器6、齿轮8、转轴7组成；其中，计算机1与单片机2相连，单片机2与电机驱动器3和编码器5相连，稳压直流电源4与电机28相连，为其提供电力输入，齿轮8一个安装在转轴7上，另一个安装于电机28的转轴上，两齿轮8的传动比为1，通过其将电机28转速传递到转轴7上，转轴7与编码器5通过联轴器6相连，从而带动其与电机同步转动。在本实施例中，计算机1采用的是ThinkPad X230i笔记本电脑，CPU为Intel酷睿I3处理器，主频2.4GHz，内存容量2G。稳压直流电源4选用的是香港龙威仪器仪表有限公司生产的PS-305D型数显直流稳压电源。编码器8选用的是欧姆龙E6B2-CWZ6C型光电旋转编码器。电机驱动器3选用的是安特科公司生产的DM420型电机驱动器。单片机2选用的是哈尔滨祥鹏科技有限公司生产的TX-1C型单片机学习板。

机座由造波机箱、编码器支座、电机保护架三部分组成；如图6所示造波机箱由侧壁板16、上部支撑梁21、下部支撑梁18、电机座13、电机卡子30、水面垂向消波板20、铰链安装梁32、斜置消波板17、端板29组成，不同的板和梁之间采用角铝22连接，在本实施例中所有板和梁均采用亚克力板加工制造而成；如图8所示，电机保护架由顶板10、支撑板11、轴承12组成，支撑板11呈“倒勾”型，在其上有一轴承安装槽，轴承12安装于其内，支撑板11下端与造波机箱侧壁板16上端相连，上端与顶板10相连；如图7所示，编码器支座由编码器安装座27、支座平板26、U型端板24、L型侧壁板25组成，各部连接处均胶粘而成。编码器支座通过U型端板24与电机保护架相连，控制与测量系统的转轴7安装于电机架上的轴承12内。

本发明的水平摇板式内波造波装置工作步骤简述如下：首先，在水槽中按照实验要求放入分层液体；然后，确定摇板19所需运动幅度和频率，通过调节球形接头14在曲柄9上的安装位置来调节摇板9的摇幅，通过电机驱动器3的上位机软件输入频率来控制电机运动频率；随后，电机驱动器3将控制电机28按照上位机软件所输参数进行运动，即可在双层流的交界面处生成周期性内波。在本实施例中，水槽长1500mm，宽210mm，高500mm，分层液体选用的是水和石蜡油，其中水层厚度300mm，油层厚度80mm。

依照上述的水平摇板式内波造波装置的设计，本实施例进行了周期性内波的造波实验，图10给出了周期为2s时的生成内波情况，在双层流的交界面处形成了明显的内波，然而表面却毫无波动迹象。

Claims (4)

1.一种水平摇板式内波造波装置，其特征是：包括造波机构、控制与测量系统、机座；造波机构包括电机、曲柄、摇杆、摇板，摇板上安装两片角铝，摇杆的下端通过下球形接头安装于两片角铝之间，曲柄的一端固定在电机的转轴上，另一端上设置连接孔，摇杆的上端通过上球形接头安装在连接孔里；控制与测量系统包括计算机、单片机、稳压直流电源、电机驱动器、编码器，计算机与单片机相连，单片机分别连接电机驱动器和编码器，电机驱动器和稳压直流电源均连接电机，编码器连接转动轴，电机的转轴上固定有第一齿轮，转动轴固定有第二齿轮，第一齿轮与第二齿轮想啮合；机座包括造波机箱、编码器支座、电机保护架，造波机箱包括左右两个侧壁板、后侧后壁板以及前侧水面垂向消波板，两个侧壁板之间安装斜置消波板，斜置消波板的斜上方设置铰链安装梁，铰链安装梁固定在两个侧壁板之间，铰链安装梁上安装第一铰链，摇板的端部安装第二铰链，第一铰链与第二铰链相配合，两个侧壁板的上端部之间安装电机座，电机固定在电机座上，电机座上设置有摇杆孔，摇杆穿过摇杆孔，电机保护架包括顶板、支撑板、轴承，支撑板呈倒勾型，在其上有一轴承安装槽，轴承安装于轴承安装槽内，转动轴与轴承相配合，支撑板下端与造波机箱的两个侧壁板上端部相连，顶板安装在支撑板上面，编码器支座包括座平板、U型端板，支座平板安装在U型端板的上端部，编码器通过编码器安装座安装在支座平板上，U型端板与电机保护架相连。

2.根据权利要求1所述的一种水平摇板式内波造波装置，其特征是：造波机箱的后壁板、斜置消波板、水面垂向消波板上均均匀的设置有孔。

3.根据权利要求2所述的一种水平摇板式内波造波装置，其特征是：所述的孔为六边形孔。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种水平摇板式内波造波装置，其特征是：曲柄的连接孔有两个或两个以上，通过调换与摇杆上端所配合的连接孔，从而调节摇板的摇幅。

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