CN109707191A - 多米诺骨牌式人工造浪装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多米诺骨牌式人工造浪装置，所述人工造浪装置为高出水池水面连续直线排列的储水舱；储水舱有连接着水泵的进水口，水泵从水池中抽水并注入到储水舱中；储水仓下部连接有向下的排水管，排水管有程控的阀门，排水管的出口部分或全部淹没在造浪池水面以下，出口呈水平状态，与储水舱相同，出口直线连续排列。每个储水舱在阀门关闭状态下，水泵向储水舱中注满水后停止工作，阀门接到控制指令时按排列顺序打开，就像多米诺骨牌依次动作，储水舱中的水通过排水管冲入水池，在水池中形成一个线性的波源。然后所有的程控阀门关闭，水泵开启向储水舱注水，整个造浪装置进入下一个工作循环，大大降低了设计和建设成本。

Description

多米诺骨牌式人工造浪装置

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

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，US 8,366,347B2，US 8,042,200B2)，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。利用连续排列分布的重力势能造浪，不需要高功率的牵引系统，也不需要复杂空间形状高应力结构强度的造浪板，大大降低了设计和建设成本。

本发明技术解决方案：一种人工造浪装置，所述人工造浪装置为高出水池水面连续直线排列的储水舱；所述的储水舱有连接着水泵的进水口，水泵从水池中抽水并注入到储水舱中；所述储水仓下部连接有向下的排水管，所述排水管有程控的阀门，排水管的出口部分或全部淹没在造浪池水面以下，出口呈水平状态，与储水舱相同，出口直线连续排列。每个储水舱在阀门关闭状态下，水泵向储水舱中注满水后停止工作，阀门接到控制指令时按排列顺序打开，就像多米诺骨牌依次动作，储水舱中的水通过排水管冲入水池，在水池中形成一个线性的波源。然后所有的程控阀门关闭，水泵开启向储水舱注水动作，整个造浪装置进入下一个工作循环。所述人工造浪装置的工作原理：高出水池水面的储水舱连续直线排列，其出水口全部或者部分地淹没在造浪池水面以下，所有的排水管阀门处于关闭状态，水泵通过进水口给所有储水舱注满后停止工作；直线连续排列的储水舱连接的排水管的阀门接到控制指令，按时序从排列的一端开始动作打开，连续的波源推进在水池中合成一条横波，模拟海浪。

根据公式(1)确定储水舱的架设高度H：

v为排水管水流的设计出口速度，g为重力加速度值，K_d为排水管阻力损失补偿系数。

K_d根据实际造浪装置测定，比如设计水流出口速度为11m/s，由于管路水阻及粘滞力等因素，实际出口速度检测为10m/s，那么K_d为1.21，即11m/s除10m/s的平方，注意公式中速度是平方关系。

所述储水舱的容量V根据公式(5)确定，

A是形成浪涌的最大高度，t为当前时间，t_i为第i个储水舱的程控阀门打开的时刻，0<i<N，N为储水舱个数，ω_x和ω_y分别为浪涌x和y方向的等效角频率，表达式为：

T_x和T_y分别是浪涌在x和y方向上的周期，T_y是储水舱的程控阀门接到指令打开到水完全放空的时间，T_x为相邻两个储水舱的程控阀门打开的间隔时间。

据公式(8)确定储水舱的排列方向上的宽度W：

W＝2vT_xarcsin(ζ) (8)

其中v为出水口水流速度，ζ由下式获得：

D为波峰和波谷之间的高差D，A是形成浪涌的最大高度。

所述储水舱在一个方向有排水管，一次在一侧制造一道浪，或左右对称有两个排水管，一次在水池中制造左右两道浪。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明不需要复杂的空间三维形状运动的翼片，对流体动力学及结构力学仿真设计及优化要求难度降低，工程设计成本也降低。

(2)本发明不需要动力牵引系统，也就不需要轨道、钢缆、绞盘、电机、变速器、离合器、刹车器、电机控制器和电源等一整套附属设备，本发明的装置结构简单，建造、运营及维护成本较现有动力牵引造浪模式要低得多，没有运动部件和磨损，整个设备的使用寿命也更长。

(3)本发明不同于现有的造浪驱动方式，不需要动力牵引沿轨道运动的翼片来推动造浪池的池水，整个系统的峰值运行功率远远小于现有动力牵引的造浪模式，对基建的供配电容量要求降低，但却能够形成翼片推动相当的大浪。

(4)本发明可以通过控制阀门序列打开的时间间隔以及每个阀门打开的速度来控制浪高和浪速，简单易行。

附图说明

图1为程控开关关闭状态下的储水舱及附属部件示意图；

图2为程控打开关闭状态下的储水舱及附属部件示意图；

图3本发明提出的多个储水舱线性排列协同动作示意图。

图中，1储水舱，2程控阀门(关闭状态)，3排水管，4水泵，5支座，6水池。

具体实施方式

本发明提出一种人工造浪装置，所述人工造浪装置为高出水池水面连续直线排列的储水舱；所述的储水舱有连接着水泵的进水口，水泵从水池中抽水并注入到储水舱中；所述储水仓下部连接有向下的排水管，所述排水管有程控的阀门，排水管的出口部分或全部淹没在造浪池水面以下，出口呈水平状态，与储水舱相同，出口直线连续排列。储水舱在阀门关闭状态下，水泵向储水舱中注满水后停止工作，阀门接到控制指令时按排列顺序打开，就像多米诺骨牌依次动作，储水舱中的水通过排水管冲入水池，在水池中形成一个线性的波源。然后所有的程控阀门关闭，水泵开启向储水舱注水动作，整个造浪装置进入下一个工作循环，制造下一道浪。

以下结合原理、附图和具体实施方式进一步说明本发明。

图1为本发明实施例单个储水舱的工作原理示意图。

如图1所示，储水舱1高出水池6的水面，排水管3通过程控阀门2与储水舱1连接，排水管3自身弯曲出水口呈水平状态，出水口部分或全部淹没在水池6中。程控阀门2处于关闭状态，水泵4从水池6中向储水舱1泵水直至加满。储水舱1、排水管3以及水泵4等部件固定在坐落于水池6中的支座5上。

如图2所示，当接到控制指令时，程控阀门2打开，储水舱1中的水通过排水管3冲入水池6，形成一道涌浪。

有关储水舱1的高度H确定，如图1所示的H，取决于设计水流的出口速度v，有：

这里v为水流的设计出口速度，g为重力加速度值，Kd为系统阻力损失补偿系数，根据实际系统测定，比如设计水流出口速度为11m/s，由于管路水阻及粘滞力等因素，实际出口速度检测为10m/s，那么K_d为1.21，用以设计储水舱高度。

如图3所示，为本发明主体原理结构示意图，为一排并列的储水舱1及上述的各附属结构(程控阀门2，排水管3，水泵4以及支座5，以下统一简称附属结构)，位于水池6中，图中画出了8个储水舱1及附属结构，水泵4未画出。在这种情况下，支座5互相连接成为一个整体，水泵4可以共享执行，也就是几个储水舱1可以共享一个水泵4。

储水舱1及其附属结构个数N由造浪装置的x方向整体长度L决定，如图3，如每个储水舱1的x方向(也就是储水舱1的排列方向)的宽度为W，则有：

N＝L/W (2)

设水面的高程z＝0，则第i个排水管3的出水口在程控阀门2打开后在水池中的形成的浪涌高程Z的一个近似描述函数为：

这里A是形成浪涌的最大高度，t为当前时间，t_i为第i个(0<i<N)储水舱1的程控阀门打开的时刻，ω_x和ω_y分别为浪涌x和y方向的等效角频率，其表达式为：

这里T_x和T_y分别是浪涌在x和y方向上的周期，其中T_x是储水舱1的程控阀门2接到指令打开到水完全放空的时间长，T_y则是相邻两个储水舱1的程控阀门2打开的间隔时间长。

为了方便用公式表达，这里忽略了浪涌高度在前进过程中的衰减以及池底抬高可能引起的崩塌，也就是浪涌的浪型是保持一个实体的涌浪。

水箱的容量V由下式确定：

其中各变量的意义同前。

当开关按既定间隔Δt由一端开始依次打开时，水池中的浪型描述公式：

这里Zw为水池水面在t时刻的高程表达函数，N与前述相同，为储水舱1的个数。

可以发现无论x还是y方向，由于储水舱1分布的离散性，形成的浪是由多个单个的涌浪水面前进过程中合成，并非是一个整齐划一的浪，也就是如图3所示呈现出棱状凸起的横向前进的浪，每两个相邻的波峰之间会有一个波谷，设波峰和波谷之间的高差D与每个涌浪的峰值A的比值：

这里峰值偏差比值ζ大于0小于1，表达了本发明造浪装置造出的一道浪的均匀度，理想状态下，也就是ζ＝0时，装置造出的浪为高度均匀一致，但前提条件是每个储水舱1在x方向的宽度几乎为零，也就是相邻两个储水舱1的时间间隔Δt接近为0，则工程上实现为不可能；如果用户可以接受的峰值偏差比值ζ，即一个储水舱1的宽度近似公式为：

W＝2vT_yarcsin(ζ) (8)

其他情况下的用户可接受的峰值偏差比值ζ和储水舱1的x方向宽度估算以此类推。

为了减少水阻，排水管3横截面积尽量与储水舱1水平方向的截面积相近。

相邻的储水舱1的程控阀门2打开的时间间隔Δt由一道浪在整个水池的长度方向的期望运行时间以及峰值偏差比值ζ共同确定，由公式(8)可以近似推算出：

也就是用户可接受的峰值偏差比值ζ，同时决定了本造浪装置的储水舱1宽度W和相邻程控阀门2的触发时间间隔Δt。

当储水舱1的水放光以后，程控阀门2关闭。

本发明人工造浪装置可以设置对称的双向左右两个排水管3及程控阀门2，这样可以同时在水池中造出左右两道浪，只是储水舱1的储水容量要加倍。

设一个水泵4的单位时间泵水量R m³，其负责的储水舱容量为n_w，则将空着的储水舱1泵满需要的时间：

每一个储水舱1放完水后程控阀门2关闭，水泵4既可以开始工作，从第一个程控阀门2开始打开，到最后一个末端动作的储水舱1放完水程控阀门2关闭，水泵4将储水舱1再次泵满，其时间间隔就是本发明提出的装置最小的造浪时间间隔，可见要想缩小这个间隔，就是要增大水泵4的泵水功率。

当不需要最大的浪高时，为了形成较小的浪，可以通过控制程控阀门2打开的速度，来限制储水舱1排水的速度，来限制浪高的大小，也可以减少储水舱1中的储水量，同样可以起到控制浪高的目的。

在排水管3向外排水时，支座5会受到排出水流的水平方向的反作用力，其工程实施必须经过数值计算进行校核，满足各方面的承重需求。

总之，本发明利用连续排列分布的重力势能造浪，不需要高功率的牵引系统，也不需要复杂空间形状高应力结构强度的造浪板，大大降低了设计和建设成本。

Claims (5)

1.一种多米诺骨牌式人工造浪装置，其特征在于：所述人工造浪装置为高出水池水面连续直线排列的储水舱；所述的储水舱有连接着水泵的进水口，水泵从水池中抽水并注入到储水舱中；所述储水仓下部连接有向下的排水管，所述排水管有程控的阀门，排水管的出口部分或全部淹没在造浪池水面以下，出口呈水平状态，与储水舱相同，出口直线连续排列；每个储水舱在阀门关闭状态下，水泵向储水舱中注满水后停止工作，阀门接到控制指令时按排列顺序打开，就像多米诺骨牌依次动作，储水舱中的水通过排水管冲入水池，在水池中形成一个线性的波源；然后所有的程控阀门关闭，水泵开启向储水舱注水动作，整个造浪装置进入下一个工作循环。

2.根据权利要求1所述的一种多米诺骨牌式人工造浪装置，其特征在于：根据公式(1)确定储水舱的架设高度H：

v为排水管水流的设计出口速度，g为重力加速度值，K_d为排水管阻力损失补偿系数。

3.根据权利要求1所述的一种多米诺骨牌式人工造浪装置，其特征在于：所述储水舱的容量V根据公式(5)确定，

A是形成浪涌的最大高度，t为当前时间，t_i为第i个储水舱的程控阀门打开的时刻，0<i<N，N为储水舱个数，ω_x和ω_y分别为浪涌x和y方向的等效角频率，表达式为：

和T_x和T_y分别是浪涌在x和y方向上的周期，T_y是储水舱的程控阀门接到指令打开到水完全放空的时间，T_x为相邻两个储水舱的程控阀门打开的间隔时间。

4.根据权利要求1所述的一种多米诺骨牌式人工造浪装置，其特征在于：根据公式(8)确定储水舱的排列方向上的宽度W：

W＝2vT_xarcsin(ζ) (8)

其中v为出水口水流速度，ζ由下式获得：

D为波峰和波谷之间的高差D，A是形成浪涌的最大高度。

5.根据权利要求1所述的一种多米诺骨牌式人工造浪装置，其特征在于：所述储水舱在一个方向有排水管，一次在一侧制造一道浪，或左右对称有两个排水管，一次在水池中制造左右两道浪。