海洋及流體測控實驗裝置的設(shè)計*

李政清，葛澤波，楊澤華，符永福，孫塑埴

(三亞學(xué)院，海南 三亞 570200)

0 前言

波浪能資源大多分布在我國的沿海地區(qū)，研究開發(fā)波浪能可為緩解我國沿海地區(qū)能源短缺提供一條新的途徑。波浪能屬于取之不盡，用之不竭的清潔能源，波浪能的大規(guī)模利用，可以緩解我國常規(guī)能源緊缺，降低溫室氣體排放。在海洋開發(fā)過程中，波浪能是包括常規(guī)能源在內(nèi)的所有能源中最廉價的能源也是海洋能種分布最廣泛的能源，發(fā)展波浪能，還可以促進(jìn)我國的海洋事業(yè)的開發(fā)。

點(diǎn)吸式波浪能發(fā)電機(jī)是各國公認(rèn)的最好的形式之一。設(shè)計一種點(diǎn)吸式波浪能發(fā)電裝置的實驗平臺，與傳統(tǒng)的波浪能模擬實驗發(fā)電裝置相比，可模擬較高幅值的浪高和較寬范圍的波浪周期，通過設(shè)計實驗室造波機(jī)來實現(xiàn)波浪能發(fā)電與流體測控控制功能，在試驗水池中造出不同波長和波高的波浪，模擬實際波浪對波浪能發(fā)電的影響，以測定各種技術(shù)數(shù)據(jù)，為相關(guān)設(shè)計提供依據(jù)。大大縮短了波浪能電站的研發(fā)周期，降低了研發(fā)成本[1]。

1 設(shè)計思路

1.1 波浪理論的基本方程及邊界條件

圖1表示在海底平坦，光滑，靜水深度為d的海域向前傳播的波浪，設(shè)波浪傳播方向為x正向，垂直向上方向為z正向，坐標(biāo)原點(diǎn)位于靜水面上假設(shè)流體為理想流體，且不可壓縮。此外，還假定波浪在傳播過程中保持其形態(tài)不變[2]，無下面海流，其運(yùn)動是二維的。

圖1 二維波浪示意圖

1.2 波浪能能級

波浪力大小(或波浪能的能級)主要取決于：波高H和周期T。通常，波浪能的大小和波高的平方值波浪周期的一次方成正比，即波高H，周期T和lm波前功率的關(guān)系可表達(dá)為[3]：P=H2×T。

根據(jù)上述公式，波浪能的大小取決于波高H與周期T，為了簡便設(shè)計過程，忽略波浪其他因素，用規(guī)則波簡化設(shè)計內(nèi)容，模擬波浪的運(yùn)動。設(shè)有n+1個水槽 (n=0，1，2…) ，組成一個單元陣列，已知模擬波浪的浪高H和周期T，相鄰水槽液面的相位差為π/2，則：

第一個水槽的液面高度方程為：

第二個水槽的液面高度方程為：

第n個水槽的液面高度方程為：

將一列等距n+1個水槽按照上述方程運(yùn)動并將液面連線，就會得到一個波高為H，周期為T的波浪運(yùn)動正弦曲線。

2 系統(tǒng)設(shè)計

在水槽組合中，以相位差為π的兩個水槽為一組，將這兩個水槽用管道和水泵連通，按照差動升降的運(yùn)動方式使其液面做升降運(yùn)動，這樣不僅模擬了波浪運(yùn)動，而且大大節(jié)約了水泵的功率。水槽內(nèi)可以設(shè)計浮子，浮子隨著水槽液位的升降運(yùn)動而上下震蕩，這樣一列水槽正好可以完成點(diǎn)吸式，特別是震蕩浮子式波浪能轉(zhuǎn)換裝置的實驗，成為一種很好的波浪能電站設(shè)計實驗平臺，陣列水槽如圖2所示。

圖2 陣列水槽立面圖

圖3是海洋及流體測控實驗裝置總圖。用水泵作為動力，電磁閥控制水流的方向和速度，驅(qū)動液體槽中的液體和波浪動力浮子運(yùn)動，同時可以觀測浮子的運(yùn)動情況。從而模擬海洋波浪能能量轉(zhuǎn)換規(guī)律。

圖3 陣列水槽及發(fā)電裝置總體設(shè)計框圖

水槽控制采用模擬正弦波造浪方式，可同時體現(xiàn)海浪的各個階段，結(jié)構(gòu)每兩組水槽為一個循環(huán)單位。1、5號水槽相位相差π，共用一個水泵，通過換向閥形成正反向波浪， 1、5水槽啟動后，經(jīng)過2π/8(4 s)后啟動2、6號水槽；再經(jīng)過4 s啟動3、7號水槽；再經(jīng)過4 s啟動4、10號水槽，形成八槽波浪能振蕩浮子發(fā)電系統(tǒng)。實現(xiàn)分組啟動四組聯(lián)動運(yùn)行，每相鄰兩組相位差為π/4總體形成近似正弦波運(yùn)動。采用PLC控制整體系統(tǒng)，通過電磁閥控制管路中流體走向。由于水量不變，兩個水槽水位一個上升，另一個必然降，相位相差180°。水位上升、下降的方向由電磁閥控制，水位升降速度由變量泵控制，泵的轉(zhuǎn)速由PLC軟件設(shè)定參數(shù)控制變頻器驅(qū)動，因而該系統(tǒng)可以按照預(yù)定的設(shè)計運(yùn)動。為了調(diào)試維修方便本控制系統(tǒng)設(shè)計手動控制和自動控制兩套功能。當(dāng)手動調(diào)試完成可切換為自動控制運(yùn)行，即正常工作狀態(tài)。

手動控制過程如下：1、5號水槽啟動：啟動前兩只水槽水位平衡，各有半槽水。轉(zhuǎn)換開關(guān)扳向手動，按SB5啟動按鈕，電磁閥繼電器1-1、1-3接通自鎖，然后按SB1啟動1號水泵，水流從5號水槽流向水槽1，觀看1號水槽浮子到頂(5號水槽浮子到底)，立即強(qiáng)制按下SB6，1-2、1-4閥接通(同時自動切斷電磁閥1-1、1-3)，定時器T6開始定時(1、5號水槽手動啟動過程結(jié)束)，水流反向從1號水槽流向5號水槽，二分之一周期后，T6定時時間到(1號水槽浮子到底、5號水槽浮子到頂)，T6常開觸頭自動接通電磁閥1-1、1-3(自動切斷電磁閥1-2、1-4)，水流正向從5號水槽流向1號水槽，不斷反復(fù)，周期工作。1、5號水槽啟動后四分之一周期，重復(fù)上述過程啟動2、6水槽系統(tǒng)，再過四分之一周期啟動3、7水槽系統(tǒng)，再過四分之一周期啟動4、8水槽。

當(dāng)手動控制調(diào)試完畢可正常運(yùn)行后，需迅速切換為自動控制，以保證水槽液柱按照預(yù)定運(yùn)動軌跡運(yùn)動，自控電路選用多路PLC控制平臺完成整體管路各閥門以及水泵控制，正常工作后無需人為干預(yù)，并設(shè)置了液位警戒急停程序來保證緊急情況下的自動停機(jī)。

3 波及浮子運(yùn)動曲線模擬

透明水槽的整體高度為2 m，由于裝置的設(shè)計，有效高度為1.6 m；而浮子的高度設(shè)計為300 mm、直徑為350 mm，因此整個浮子在運(yùn)動過程中有效范圍為1.3 m。因為開關(guān)量的客觀因素，所以波的運(yùn)動軌跡接近三角波，整個運(yùn)動周期經(jīng)過實際測量為32 s。而浮子由于自身的高度300 mm，無論在水槽底端還是運(yùn)動到最上端，它的高度在極限狀態(tài)下都處在500 mm處，并且當(dāng)它在最低端與最高端都有停頓的一段時間，具體為6 s。所以波和浮子的運(yùn)動曲線圖如圖4所示(兩個周期)。

圖4 水槽波及浮子運(yùn)動曲線圖

浮子運(yùn)動速度曲線如圖5所示。

圖5 浮子運(yùn)動平均速度曲線

4 結(jié)論

設(shè)計也可作為流體測控實驗平臺的研究，可測控參數(shù)多，對每一種參數(shù)測控采用不同的檢測儀器，接口一致，便于調(diào)節(jié)，更換靈活。流體流量測控功能：可用電磁流量計實現(xiàn)電磁式測控、用超聲波流量計實現(xiàn)聲學(xué)式檢測、用科里奧利質(zhì)量流量傳感器實現(xiàn)質(zhì)量流量檢測等。液位測控功能：可用浮力式液位計、靜壓式液位傳感器、光電式液位傳感器、雷達(dá)探測液位計做流體流動特征雷諾數(shù)的觀察與實驗等。因而本裝置也可完成流體測控、儀器的檢測與標(biāo)定，流體力學(xué)實驗、培訓(xùn)、教學(xué)等功能。與傳統(tǒng)的測控實驗裝置相比，可安裝多種測控實驗傳感器，大大減少了成本，而且設(shè)備簡單，操作方便，可以移動，可以多種組合。

[1] 聞福三，伍時和，吳樂賢.波浪能振蕩浮子轉(zhuǎn)換方式實驗裝置的研究與設(shè)計[J].海岸工程，2016，35(1)：1-15.

[2] 范佰明.深海立管的疲勞壽命預(yù)報方法[D].鎮(zhèn)江：江蘇科技大學(xué)，2008.

[3] 周道良.多節(jié)漂浮式波浪發(fā)電裝置的實驗研究[D].大連：大連海事大學(xué)，2011.