CN109098487B - 一种人工造浪装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种人工造浪装置及方法，利用水泵驱动水流并通过多个喷流口在水池中矢量合成各种浪型的新型人工造浪装置，安装在造浪装置上的水泵通过进水口从造浪装置前部吸入池水，加压后从连接在造浪装置侧面的一个或者多个喷流口高速喷出喷流，多个不同角度和速度的喷流在水池水面附近矢量合成，可以形成包括卷浪在内的任意浪高和浪型的浪，对池底形状没有特殊要求。本发明不需要外在牵引动力，造浪装置自身具备驱动力，造浪装置下部安装的轮子沿敷设在池底的轨道前进，在水池中形成连续的浪。

Description

一种人工造浪装置及方法
技术领域
本发明涉及一种人工造浪装置及方法，属于舰艇波浪环境适应性试验平台、波浪发电设备测试，以及大众体育、娱乐辅助设施范畴。
背景技术
冲浪运动源于太平洋群岛上的波利尼西亚人，欧洲航海探险家在十八世纪发现并予以记载，其文字记录距今已经有二百多年，今天，全世界的冲浪爱好者有3500多万人，这个数字还在不断快速增加。2016年，冲浪运动正式成为奥运会项目，世界冲浪运动协会(WSL)也设立包括大陆港澳台在内的大中华区。但在全世界范围内，适于冲浪运动的海岸分布十分稀缺，且具有季节性和时段性，也就是在适于冲浪的海岸，每年也只有少数季节，并且在此期间的每天，也只有二至四个小时，适于冲浪。由于大陆架平缓，我国周边沿海几乎没有适于训练或比赛的自然浪源。为了满足娱乐、训练和比赛需求，人们希望能够人工地模拟和制造天然的、合适的海浪，可以随时地进行冲浪运动，不再是“靠天吃饭”。目前，主要的，能制造出具有一定专业水准的浪(有足够的浪高、浪形成后有足够的持续时间和合适的浪形)的方法有真空法和造浪板牵引法两种，第一种(参考专利：201620641883.9)利用真空泵将一定量的水吸到一定的高度，然后突然打开阀门释放到水池中，冲击形成浪，被吸起的水也可以换成一定体积重量的重物，这个方法消耗的能量较大，且造出的浪形成后即在前进过程中衰减，浪形为一般的涌浪，可持续性差；第二种是利用动力牵动造浪板在水池中运动，利用造浪板推动池水形成浪(参考专利：PCT/ES2008/000089，PCT/US2013/059498，US8,366,347 B2，US 8,042,200 B2)，优点是持续时间长，浪形较好(有明显的卷浪区，自然条件下卷浪的形成和破碎过程如图1)，缺点是对造浪板和池底的空间几何形状要求较高，需要利用超级计算机进行数值仿真计算和优化设计，整套设备设计周期长，加工难度高，另外，该类型造浪装置需要强大的牵引驱动设备，参考专利2的动力功率都在2.0MW以上，牵引驱动设备体积重量庞大，要有高强度的导向和支撑轨道，提高了建设成本，也造成了较大的额外摩擦、水粘滞阻力损耗。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种人工造浪装置及方法，是利用空间水流的矢量合成形成不同高度和形状的浪，不需要复杂空间形状高功率牵引运动的造浪板，大大降低了建设和研制成本。
本发明技术解决方案：一种人工造浪装置，所述人工造浪装置全部或者部分地淹没在造浪池中，所述人工造浪装置主体为泵仓，泵仓内部安置有水泵，所述水泵由与泵仓相连接的动力源驱动；泵仓前部为浸入水中的进水口；在泵仓的侧面开有用于喷出水流的一个或多个喷流口；通过动力源利用水泵驱动水流从进水口进入，再通过喷流口喷出水流，喷出的水流通过矢量合成所需要的各种不同浪高和浪型的浪。
所述喷流口在泵仓呈单侧或者双侧分布，喷流口为凸出或隐式布置。
调整所述喷流口的安装位置和安装角度，以形成不同要求的浪高和浪型的浪。
所述造浪装置还加有轨道，在造浪的同时，造浪装置则沿轨道向前运动，具备自驱动能力，不需要外部的牵引。
本发明的一种人工造浪装置，所述人工造浪装置全部或者部分地淹没在造浪池中，所述人工造浪装置主体为泵仓，泵仓内部安置有水泵，所述水泵由与泵仓相连接的动力源驱动；泵仓前部为浸入水中的进水口；在泵仓的侧面开有用于喷出水流的一个或多个喷流口；通过动力源利用水泵驱动水流从进水口进入，再通过喷流口喷出水流，可以简称喷流，喷出的水流通过矢量合成所需要的各种不同浪高和浪型的浪。
所述喷流口在泵仓呈单侧或者双侧分布，喷流口为凸出有外缘的或是隐式无外缘的布置。
根据公式(3)和浪型需求设定所述喷流口的安装位置和安装角度，以形成不同要求的浪高和浪型的浪；
Figure BDA0001689789160000021
i为下标，Bi为第i个喷流口喷出的水流初始矢量，g为重力加速度，ti为第i个喷流从喷流口到达汇流处的时间。
所述造浪装置还加有轨道，在造浪的同时，造浪则沿轨道向前运动，具备自驱动能力，不需要外部的牵引。
一种人工造浪方法，实现为：动力源通过进水口吸入造浪池的水，通过水泵加压后通过喷流口喷出水流，水流喷出的位置和空间角度不同，在造浪池表面附近水流通过矢量合成各种不同浪高和浪型的浪；在造浪的同时，造浪装置前后的水压差使所述造浪装置具备自驱动能力，不需要外部的牵引即在造浪池中沿轨道运动，在造浪池表面形成连续的浪。
利用多个喷流口喷出的水流，在造浪池表面附近相遇合成浪，矢量合成公式如下：
Figure BDA0001689789160000031
i为下标，Bi为第i个喷流口喷出的水流初始矢量，g为重力加速度，ti为第i个喷流口的水流到达造浪池表面汇流位置的时间，n为喷流口个数，在设计过程中，对所要达到的设定浪高浪型进行空间矢量分解，按照上述公式，调整喷流口的数量及其位置和角度，多喷流最终空间矢量合成设定的浪；矢量分解后喷流口的数量n，喷流口的设定位置及角度需符合上述公式(3)；另外从造浪池及造浪装置的尺寸规模，对浪型精度的要求，以及工程实施难度、可靠性、经济成本等，多方面进行综合考虑，来设置喷流口的个数n。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明不同于现有的造浪驱动方式，不需要提高水体或者重物冲击水池，也不需要动力牵引沿轨道运动的翼片来推动造浪池的池水。本发明利用至少部分地潜入水中的造浪装置，造浪装置中搭载的水泵，水泵可以是涡轮式、活塞式、磁流体式等任何形式，将造浪池中部分水吸入水泵后加速，给造浪池的池水初速并从连接在泵仓侧面的喷流口喷出，泵仓有一个或者多个出水的喷流口。
(2)本发明的目的是克服现有技术对动力牵引功率要求较高和对池底三维空间形状要求的缺点，通过利用多个喷流口喷出的水流在预期位置矢量合成包括卷浪在内的任意形状和不同高度的浪，水泵在形成喷流的同时可以具有自我推进能力，推动造浪装置在造浪池中保持运动，形成连续的浪，因此不需要外力牵引运动，也不需要高强度的导向和支撑轨道；本发明对造浪池底的空间几何形状也没有要求，大大降低了建设和研制成本，且浪形可控，能形成任意形状和高度需求的浪，且适用广泛。
附图说明
图1为自然条件下卷浪的形成与最终破碎；
图2为涌浪的2个或者3个矢量分量分解示意图；其中a为2个矢量分量分解示意图，b为3个矢量分量分解示意图；
图3a为本发明为2个凸出喷流口的造浪装置俯视图；
图3b为本发明中2隐式喷流口的造浪装置结构示意图；
图4为具有3个喷流口的造浪装置结构示意图；
图5为具有1个喷流口的造浪装置结构示意图，图中：1进水口，2泵仓，3动力源，4喷流口，5轮子，6轨道。
具体实施方式
本发明是一种利用水泵驱动水流并通过多个喷流口在水池中矢量合成各种浪型的新型人工造浪装置，安装在造浪装置上的水泵通过进水口从造浪装置前部吸入池水，加压后从连接在造浪装置侧面的一个或者多个喷流口喷出喷流，按照满足公式(3)要求及具体工程实施条件设定，多个不同角度和速度的喷流在造浪池水面附近矢量合成，喷流的速度和角度由公式(3)确定，可以形成包括卷浪在内的任意浪高和浪型的浪，对池底形状没有特殊要求。本发明不需要外在牵引动力，造浪装置自身具备驱动力，造浪装置下部安装的轮子沿敷设在池底的轨道前进，在水池中形成连续的浪。
以下结合原理、附图和具体实施方式进一步说明本发明。
从图1浪的形成过程，利用矢量分解与合成来说明本发明的基本原理。如图1自上而下顺序，一个前进中的涌浪开始破碎(splilling)，在下一时刻形成卷浪(plunging)，然后崩塌(collapsing)和回涌(surging)，在卷浪及崩塌过程中，浪的外轮廓线无法用笛卡尔坐标函数表达(即一个水平x坐标存在两个以上的y坐标点)，要在卷浪形成之前完成对涌浪进行矢量分解与合成计算工作。
在一个时刻一个前进中的涌浪，理论上可以分解成无数个空间水流矢量分量，即：
Figure BDA0001689789160000041
这里Wave表示一个前进中的涌浪，Ai表示一个水流矢量分量，其中i为下标。
每个喷流口的初始喷出的水流的初始矢量分量为Bi，n为矢量个数。
则有：
Ai＝Bi+gti (2)
这里g为重力加速度，竖直向下，ti为第i个喷流口喷出的水流汇流到涌浪位置时的时间，ti＝Li/Bhi，这里Li为第i个喷流口到涌浪形成位置的水平距离，Bhi为第i个喷流口喷出的水流的初始水平速度矢量分量，那么(1)式可以表达为：
Figure BDA0001689789160000042
当造浪装置在池中连续运动时，上式成为：
Figure BDA0001689789160000043
其中C是造浪装置当前速度矢量，则在造浪池中形成连续的浪。
需要指出的是，从工程可实施性的角度考虑，不可能采用无数个喷流口，即n趋于∞的方式来矢量合成涌浪，只能把涌浪分解成有限个矢量分量，如图2中的2个(即以上公式中n＝2)，或者3个(即以上公式中n＝3)，或者其他工程上可实施的有限多个矢量分量，通过矢量合成原理，合成一个前进中的涌浪，涌浪在下一时刻崩塌形成卷浪。理论上，喷流口的个数越多，矢量合成的涌浪越接近于自然界的涌浪，但显然也增加了实施难度，所以实际工程中，在考虑工程难度、经济性、降低故障率的前提下，以有限个喷流口的模式来尽可能地模拟自然界中的浪型。
当然，可以通过人为地改变Bi来形成预设的自然界中并不存在的，非自然的娱乐用或者其他用途的浪型。
图3中a为本发明实施例1具有2个喷流口的造浪装置结构示意图。造浪装置全部或者部分地淹没在造浪池中。如图1所示，浸入水中的进水口1在造浪装置前进方向，泵仓2内部安置水泵，水泵可以是涡轮式、活塞式、磁流体等模式，由与泵仓2相连接的动力源3驱动，动力源3可以是任何形式的动力机，如内外燃机，或者随动电缆、受电弓或者电池做电源经电力变换驱动的电动机。泵仓2将造浪池水从进水口1吸入，经水泵加压后从分布在造浪装置侧面的喷流口4喷出，图3中的a所示的喷流口4有两个，喷流口4可以是凸出有外缘的，也可以是隐式无外缘的，即喷流口4如图3b所示。喷流口4的位置确定方法，由公式(3)，每个喷流矢量分量Bi，从矢量Bi的汇流位置竖直提高高度gti，然后反向延长，与造浪装置泵仓2的表面交点，就是这个喷流矢量Bi的喷流口4的安装位置，这个矢量Bi与泵仓2的表面夹角，就是这个喷流矢量Bi的喷流口4的安装夹角。从水泵压过来的水从各个喷流口4喷出后形成的方向和速度也不同，如图1造浪装置上前部下方的喷流口4向上横向喷出水流，后部上方的喷流口4则横向向前喷出水流，两股方向和速度不同的水流在水池水面附近相遇，空间矢量合成高度和形状不同的浪。由于进水口1周边的水不断地被抽走，造浪装置前方形成低压区，另外喷流口4喷出的水存在向后水流矢量分量，形成向前的反作用力，造浪装置就会沿轨道6向前运动，因此该造浪装置具有自我驱动能力，造浪装置在前进过程中喷流口4在造浪池水面上形成连续的浪，供冲浪爱好者或者运动员进行娱乐或者比赛运动。轮子5对造浪装置起到承重和导向的作用，一般有前后2对，也就是4个，或者考虑承重安装更多对的轮子，图中绘出了前方可视的1个。喷流口4横向喷出水流会产生反作用力，作用于造浪装置上，使造浪装置和轨道均承受翻转力矩，造浪装置有倾覆的趋势，因此喷流口4最好左右对称布置，把横向的反作用力互相内部抵消，而且同时可以在造浪池中制造左右两道浪，供两组运动人员训练比赛或者娱乐做冲浪，当然需要动力源3和泵仓2内的水泵具有更高的输出功率。
图4为本发明实施例2具有3个喷流口的造浪装置结构示意图。其运行原理同实例1，但喷流口4多一个，喷出的水流和其他喷流口喷出的水流在相交的位置，多了一个矢量合成分量，合成的浪形具有更好的连续性和形状可控性。理论上，喷流口4的数量可以是多于3个的很多个，分布在造浪装置的侧面不同的位置、大小和不同的安装角度，能够更好地在水面位置合同形状可控的浪，当然喷流口4越多系统复杂度越高，会提高制造和安装难度以及故障率。
图5为本发明的实施例3，多个喷流口4可以愈合成一个连续变化形状的喷流口4，其造浪原理和效果基本等同于很多个喷流口共同作用。
以上任何形式的喷流口4都可以是凸起式或者是隐式。

Claims (4)

1.一种人工造浪装置，其特征在于：所述人工造浪装置全部或者部分地淹没在造浪池中，所述人工造浪装置主体为泵仓，泵仓内部安置有水泵，所述水泵由与泵仓相连接的动力源驱动；泵仓前部为浸入水中的进水口；在泵仓的侧面开有用于喷出水流的一个或多个喷流口；通过动力源利用水泵驱动水流从进水口进入，再通过喷流口喷出水流，喷出的水流在造浪池表面通过矢量合成所需要的各种不同浪高和浪型的浪；
根据以下矢量合成的公式(1)和浪型需求设定所述喷流口的安装位置和安装角度，以形成不同要求的浪高和浪型的浪；
Figure FDA0002461474520000011
i为下标，Bi为第i个喷流口喷出的水流初始矢量，g为重力加速度，ti为第i个喷流到达汇流点的时间，n为矢量个数。
2.根据权利要求1所述的一种人工造浪装置，其特征在于：所述喷流口在泵仓呈单侧或者双侧分布，喷流口为凸出有外缘的或是隐式无外缘的布置。
3.根据权利要求1所述的一种人工造浪装置，其特征在于：所述造浪装置还加有轨道，在造浪的同时，造浪则沿轨道向前运动，具备自驱动能力，不需要外部的牵引。
4.一种人工造浪方法，其特征在于：所述造浪装置沿轨道运动，动力源通过进水口吸入造浪池的水，通过水泵加压后通过喷流口喷出水流，水流喷出的位置和空间角度不同，在造浪池表面附近水流通过矢量合成各种不同浪高和浪型的浪；在造浪的同时，造浪装置前后的水压差使所述造浪装置具备自驱动能力，不需要外部的牵引即在造浪池中沿轨道运动，在造浪池表面形成连续的浪；
利用多个喷流口喷出的水流，在造浪池表面附近相遇合成浪，矢量合成公式如下：
Figure FDA0002461474520000012
i为下标，Bi为第i个喷流口喷出的水流初始矢量，g为重力加速度，ti为第i个喷流口的水流到达造浪池表面预定位置的时间，n为个数，在设计过程中，对所要达到的设定浪高浪型进行空间矢量分解，按照上述公式，调整喷流口的数量及其位置和角度，多喷流最终空间矢量合成设定的浪；矢量分解后喷流口的数量n，喷流口的设定位置及角度需符合上述公式(1)；另外从造浪池及造浪装置的尺寸规模，对浪型精度的要求，以及工程实施难度、可靠性、经济成本，多方面进行综合考虑，来设置喷流口的个数n。
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