一种基于点压力反馈浪高显示的造波机实验装置及其方法

本发明涉及一种基于点压力反馈浪高显示的造波机实验装置及其方法，属于海洋工程技术领域。

背景技术：

波浪物理模型试验是研究沿海港口工程防浪性能的主要手段之一，目前水槽采用的吸收反射波的方式有两种，即被动式吸收和主动式吸收。

国内主动式吸收造波系统主要采用造波板前波高传感器测量波高序列值，然后进行数值滤波分离出反射波并反馈到控制系统，控制系统根据反馈的反射波信号修正造波信号，达到吸收二次反射波的目的。但由于造波板前波浪紊乱，波高传感器测得的波高序列值非常复杂，难以准确分离出实时的反射波，并且对于摇板式造波机来说，造波机放置位置也有很大争议，而且这种方法误差较大且不稳定，易造成造波机二次反射波吸收效果变差。

技术实现要素：

为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种基于点压力反馈浪高显示的造波机实验装置及其方法。该实验装置运用压强传感器来测得波浪对造波板所产生的压强，找到压强和浪高之间的关系，从而实现压强与浪高之间的转换，避免了由于造波板前波浪紊乱，波高传感器测得的波高序列值非常复杂，难以准确分离出实时的反射波这类问题。

为了实现上述发明目的，解决现有技术存在的问题，本发明采取的技术方案是：一种基于点压力反馈浪高显示的造波机实验装置，包括深水水池、计算机控制系统、干背式摇板造波机及n个压强传感器，计算机控制系统，包括交流伺服电机、计算机控制单元及浪高变化显示单元，所述干背式摇板造波机设置有造波板、传动杆、第1、2轴承、滑块、丝杆及联轴节，所述造波板与传动杆相连、传动杆与滑块相连、滑块套入丝杆上、丝杆两端分别设置有第1、2轴承，所述计算机控制单元第1输出端与交流伺服电机输入端相连，交流伺服电机通过联轴节与丝杆相连，滑块在丝杆上运动带动传动杆，传动杆带动造波板，用于控制造波板的运动，所述n个压强传感器第1、2…n输出端分别与计算机控制单元第1、2…n输入端相连，计算机控制单元第2输出端与浪高变化显示单元输入端相连，用于收集波浪产生的压强信号和显示由计算机控制单元计算出来的浪高变化情况，所述干背式摇板造波机及n个压强传感器分别安装在深水水池的内壁上，n个压强传感器沿着垂直方向等距分布在造波板的下方并浸没在水中，同时还要求最顶部的压强传感器与造波板底部保持1-3cm的距离；

实验方法，包括以下步骤：

步骤1、设置压强传感器，将n个压强传感器沿着垂直方向等距分布在造波板的下方并浸没在水中，同时还要求最顶部的压强传感器与造波板底部保持1-3cm的距离，最后再把n个压强传感器安装在深水水池的内壁上，n为大于1的正整数，n越大，精度越高，同时，n的数量取决于深水水池的深度；

步骤2、收集压强数据，启动造波机实验装置，待深水水池波面稳定后，收集出n个压强传感器所产生的压强信号，并且把这些压强信号传输到计算机控制系统中；

步骤3、推导波浪压强的表达式，根据已有的公式，推导出波浪产生压强的表达式，通过公式(1)进行描述，

式中，pn表示n个压强传感器所测到的压强，re表示取实部，i代表虚数单位，ω表示造波板周期摆动角频率，ρ表示水的密度，z0(k0,zn)和zj(kj,zn)表示垂向特征函数，其中，k0表示波数，d表示水底到静水面的高度，k0与ω满足色散关系ω²＝gk0tanhk0h，kj表示方程ω²＝-gkjtankjh的第j个正解，zn代表n个压强传感器所在水深，a0和aj是要求解的未知系数，t表示时间；

步骤4、求解未知系数，通过所测到的压力pn运用矩阵方程(2)在计算机控制系统中求解，求得未知系数a0和aj；

步骤5、求解t时刻在造波板处浪高随时间的变化，通过上述步骤求解出的未知系数a0和aj，计算出造波板处浪高与未知系数的关系，运用已知的浪高表达式，通过公式(3)进行描述，把未知系数带入，运用计算机控制系统进行计算，进而求得了t时刻在造波板处浪高随时间的变化，最终由浪高变化显示单元输出，

式中，g表示重力加速度，z表示压强传感器距离静水面的高度。

本发明有益效果是：一种基于点压力反馈浪高显示的造波机实验装置及其方法，其中实验方法，包括以下步骤：(1)设置压强传感器，(2)收集压强数据，(3)推导波浪压强的表达式，(4)求解未知系数，(5)求解t时刻在造波板处浪高随时间的变化。与已有技术相比，该实验装置运用压强传感器来测得波浪对造波板所产生的压强，找到压强与浪高之间的关系，从而实现压强与浪高之间的转换，避免了由于造波板前波浪紊乱，浪高传感器测得的波高序列值非常复杂，难以准确分离出实时的反射波这类问题，整个实验装置结构简单，操作方便，安全可靠。

附图说明

图1是本发明实验装置结构示意图。

图中：1、深水水池，2、n个压强传感器，3、干背式摇板造波机，3a、造波板，3b、传动杆，3c、丝杆，3d、滑块，3e、第1轴承，3f、第2轴承，3g、联轴节，4、计算机控制系统。

图2是本发明实验方法步骤流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种基于点压力反馈浪高显示的造波机实验装置，包括深水水池1、计算机控制系统4、干背式摇板造波机3及n个压强传感器2，计算机控制系统，包括交流伺服电机、计算机控制单元及浪高变化显示单元，所述干背式摇板造波机3设置有造波板3a、传动杆3b、第1、2轴承3e、3f，滑块3d、丝杆3c及联轴节3g，所述造波板3a与传动杆3b相连、传动杆3b与滑块3d相连、滑块3d套入丝杆3c上、丝杆3c两端分别设置有第1、2轴承3e、3f，所述计算机控制单元第1输出端与交流伺服电机输入端相连，交流伺服电机通过联轴节3g与丝杆3c相连，滑块3d在丝杆3c上运动带动传动杆3b，传动杆3b带动造波板3a，用于控制造波板3a的运动，所述n个压强传感器中的第1、2…n输出端分别与计算机控制单元第1、2…n输入端相连，计算机控制单元第2输出端与浪高变化显示单元输入端相连，用于收集波浪产生的压强信号和显示由计算机控制单元计算出来的浪高变化情况，所述干背式摇板造波机3及n个压强传感器分别安装在深水水池1的内壁上，n个压强传感器沿着垂直方向等距分布在造波板3a的下方并浸没在水中，同时还要求最顶部的第1压强传感器与造波板3a底部保持1-3cm的距离。

如图2所示，实验方法，包括以下步骤：

步骤1、设置压强传感器，将n个压强传感器沿着垂直方向等距分布在造波板的下方并浸没在水中，同时还要求最顶部的压强传感器与造波板底部保持1-3cm的距离，最后再把n个压强传感器安装在深水水池的内壁上，n为大于1的正整数，n越大，精度越高，同时，n的数量取决于深水水池的深度；

步骤2、收集压强数据，启动造波机实验装置，待深水水池波面稳定后，收集出n个压强传感器所产生的压强信号，并且把这些压强信号传输到计算机控制系统中；

步骤3、推导波浪压强的表达式，根据已有的公式，推导出波浪产生压强的表达式，通过公式(1)进行描述，

式中，pn表示n个压强传感器所测到的压强，re表示取实部，i代表虚数单位，ω表示造波板周期摆动角频率，ρ表示水的密度，z0(k0,zn)和zj(kj,zn)表示垂向特征函数，其中，k0表示波数，d表示水底到静水面的高度，k0与ω满足色散关系ω²＝gk0tanhk0h，kj表示方程ω²＝-gkjtankjh的第j个正解，zn代表n个压强传感器所在水深，a0和aj是要求解的未知系数，t表示时间；

步骤4、求解未知系数，通过所测到的压力pn运用矩阵方程(2)在计算机控制系统中求解，求得未知系数a0和aj；

步骤5、求解t时刻在造波板处浪高随时间的变化，通过上述步骤求解出的未知系数a0和aj，计算出造波板处浪高与未知系数的关系，运用已知的浪高表达式，通过公式(3)进行描述，把未知系数带入，运用计算机控制系统进行计算，进而求得了t时刻在造波板处浪高随时间的变化，最终由浪高变化显示单元输出，

式中，g表示重力加速度，z表示压强传感器距离静水面的高度。