CN111929027A - 一种实验室风谱模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实验室风谱模拟方法，包括：步骤一由风谱求得风速序列值、步骤二实测风机风速与功率对应关系、步骤三由工控机根据风速和功率对应关系，由风速序列计算得到变频器控制信号序列，控制风机工作。本发明提出的实验室风谱模拟方法科学合理，通过对风谱进行时频转换得到风速序列，然后对风机进行变频控制，从而实现实验室内对风谱的模拟。
Description
技术领域：
本发明属于港口航道工程实验室试验方法技术领域，特别是涉及一种实验室风谱模拟方法。
背景技术：
随着我国水运事业的迅速发展，为满足运量快速增长的需求，适应船舶大型化的发展需要，沿海各大港口不断扩大进港航道的规模，同时水运船型也在不断的增大。港口航道工程实验室中常常需要进行船舶泊稳条件、靠泊条件、系缆力验证等试验，为港口码头建筑物设计、船舶停靠泊设计提供参考依据。船舶所受到的主要荷载包括水流、波浪以及风荷载，传统的港口航道工程实验室中已有成熟的波浪、水流荷载试验模拟方法，然而对于风荷载的模拟，往往仅选用固定风速条件作为试验条件，与自然条件不符。自然风是由空间不同位置之间的大气压力差产生的，是一个随时空变化的随机过程，其变化具有一定的频率，固定风速模拟条件不能够反映风速变化对船舶行驶、靠泊的影响，对工程设计是偏危险的。
因此，港口航道工程实验室中迫切需要一种能够模拟自然风风谱特征的试验方法，提高对风荷载模拟的精度。
发明内容：
本发明的目的是为克服上述现有技术的不足而提供一种实验室风谱模拟方法，本发明的风谱模拟技术科学合理，通过变频控制风机转速，从而达到模拟风速随时间变化的风谱特征。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种实验室风谱模拟方法，按以下步骤进行：
步骤一，根据余弦叠加原理，将具有一组特征参数的风谱进行时频转换，由频域的风谱值计算得到时域的风速序列值；
步骤二，利用变频器控制风机转速，在一定频率范围内间隔改变变频器功率，利用风速仪测量距离风机指定位置处的风速，得到风速值与变频器功率的一一对应关系；
步骤三，将计算得到的脉动风速时序列传输至工控机，根据步骤二所得的风速值与变频器功率的一一对应关系，由工控机转变为变频器的控制信号，传输至变频器，变频器根据控制信号控制风机转速变化，从而控制风机按所需要的时序列产生需要的风速变化。
在上述技术方案中，在步骤一中，根据Davenport风谱公式，选取特征参数计算风速谱值，见公式(1)：
式中Sv(f)代表脉动风速功率谱，
代表相应点10m高处的平均风速，f为脉动风频率，K为地面粗糙系数，x为湍流积分尺度系数；
然后根据余弦叠加法，将风谱转换为风速序列，见公式(2)：
式中g(t)代表脉动风速时序列，SV(ω)代表脉动风速的功率谱密度函数，Δω为频率增量，φj为均匀分布在(0,2π)内的随变量。
在上述技术方案中，在步骤二中，在0～50Hz范围内间隔0.5Hz改变变频器功率。
本发明的原理是：本发明通过变频控制风机转速达到控制风机产生随时间变化风速的目的，运用余弦叠加原理将风谱值转换为风速时间序列值，并根据经过测量的风速值与变频器功率直接的一一对应关系，将风速序列值转换为变频器控制信号序列，完成对风机的变频控制。
本发明与现有技术相比其显著优点在于：
1.本发明运用余弦叠加原理将风谱值转换为风速序列值，方法科学可靠。
2.本发明利用变频控制技术控制风机产生需要的风速序列，产生试验需要的随时间变化的风速。
3.本发明对风机前特定位置处的风速值与变频器功率值的一一对应关系进行率定，根据对应关系控制变频器信号，能够得到准确的风速值。
附图说明
图1是风谱密度函数图。
图2是由风谱转换的风速时序列图。
图3是风机风速值与功率对应关系。
图4是风机控制系统架构图。
对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据以上附图获得其他的相关附图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
步骤一，根据余弦叠加原理，将具有一组特征参数的风谱(如Davenport风谱)进行时频转换，由频域的风谱值计算得到时域的风速序列值：
根据Davenport风谱公式(公式1)，选取特征参数计算风速谱值，然后根据余弦叠加法(公式2)，将风谱转换为风速序列，计算参数选取如表1。
表1计算参数选取表
利用公式(1)～(2)计算每一时刻时的脉动风速g(t)，可得到对应的一组脉动风速时序列。计算得到的Davenport风谱值如图1所示，计算得到风速时序列如图2所示，计算得到时长200s的一段脉动风速时序列，风速时间间隔取为0.2s。
步骤二，利用变频器控制风机转速，在0～50Hz范围内间隔0.5Hz改变变频器功率，利用风速仪测量距离风机指定位置处的风速(所述指定位置是指所需要的风机输出风速的目标作用位置)，得到风速值与变频器功率直接的一一对应关系。本实施对中交天津港湾工程研究院有限公司水动力重点实验室风机进行测试，得到风速值与变频器功率直接的一一对应关系，见附图3。
步骤三，将计算得到的脉动风速时序列传输至工控机，根据步骤二所得的风速值与变频器功率直接的一一对应关系，由工控机转变为变频器的控制信号，传输至变频器，变频器根据控制信号控制风机转速变化，从而控制风机按所需要的时序列输出需要的变化风速作用于目标位置。风机控制系统架构参见附图4。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种实验室风谱模拟方法，其特征在于，按以下步骤进行：
步骤一，根据余弦叠加原理，将具有一组特征参数的风谱进行时频转换，由频域的风谱值计算得到时域的风速序列值；
步骤二，利用变频器控制风机转速，在一定频率范围内间隔改变变频器功率，利用风速仪测量距离风机指定位置处的风速，得到风速值与变频器功率的一一对应关系；
步骤三，将计算得到的脉动风速时序列传输至工控机，根据步骤二所得的风速值与变频器功率的一一对应关系，由工控机转变为变频器的控制信号，传输至变频器，变频器根据控制信号控制风机转速变化，从而控制风机按所需要的时序列产生需要的风速变化。
2.根据权利要求1所述的一种实验室风谱模拟方法，其特征在于：在步骤一中，根据Davenport风谱公式，选取特征参数计算风速谱值，见公式(1)：
式中Sv(f)代表脉动风速功率谱，
代表相应点10m高处的平均风速，f为脉动风频率，K为地面粗糙系数，x为湍流积分尺度系数；
然后根据余弦叠加法，将风谱转换为风速序列，见公式(2)：
式中g(t)代表脉动风速时序列，SV(ω)代表脉动风速的功率谱密度函数，Δω为频率增量，φj为均匀分布在(0,2π)内的随变量。
3.根据权利要求1所述的一种实验室风谱模拟方法，其特征在于：在步骤二中，在0～50Hz范围内间隔0.5Hz改变变频器功率。
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