波流循环水槽教学实验平台建设与水动力模型实验方案探讨

1、波流循环水槽教学实验平台建设与水动力模型实验方案探讨摘 要：文章介绍了一种小型波流循环水槽的池体设计方案及其控制系统和控制软件；整合波流循环水槽测 试设备及测试技术资源，依托波流循环水槽搭建了创新实验教学平台；依据测量变量的不同，将波流循环水 槽教学实验平台水动力模型实验归为力测量、位移测量、流场测量三个类别，并介绍了各类模型实验测试方 案，给出了三类模型实验操作难点和注意事项。关键词：波流循环水槽；实践教学；教学平台；水动力模型实验方案Construction of teaching experiment platform of wave currentcirculating water c

2、hannel and discussion on experimentscheme of hydrodynamic modelAbstract: This paper introduces the design of a small wave current circulating water channel and its control system and software. Through the integration of wave current circulating water channel test equipment and test technology resour

3、ces, and based on the wave current circulating water channel, an innovative experimental teaching platform is built. According to the different measurement variables, the hydrodynamic model experiment of wave current circulating flume teaching experimental platform is classified into three categorie

4、s such as the force measurement, displacement measurement and flow field measurement. The test schemes of various model experiments are introduced, and the operation difficulties and precautions of the three types of model experiments are presented. Key words: wave current circulating water channel;

5、 practice teaching; teaching platform; hydrodynamic model; experimental scheme随着国家深入实施创新驱动发展等重大战略，众 创、大数据、智能制造、“互联网+”等概念快速融入 高校工科教学。社会（企业）迫切需要一大批具有创 新意识、动手能力强、综合素质高的复合型高素质人 才1-4。实践教学在培养复合型高素质人才过程中的作 用尤为重要，而实验教学是实践教学体系的重要组成 部分。实验教学作为训练学生职业素养、职业技能、 创新能力的一个重要环节，在培养学生综合素质和实 践能力方面的作用是其他教学方式无法替代的5-8。实 验教学

6、还是高校“双一流”建设中人才培养和学科建 设极为重要的一个环节，能够充分展现高校多元化、 全方位的办学水平。由于重视程度、资金投入、实验 教学师资团队以及实验教学学时等诸多条件限制，高 校针对实验教学的改革必须进一步深入9-11。实验室是高校教学和科研的重要基地，是新形势 下培养人才、开展科学研究和服务社会（企业）的主 要场所，也是衡量高校办学水平的重要方面12o高校 实验室按功能一般分为教学实验室和科研实验室。教 学实验室是实施教学实验的重要载体，教学实验室建 设及教学实验平台搭建在实验教学中具有至关重要的 作用13_14O波流循环水槽是一种多功能的基础实验教学设 备，具有很多独特优势，常作

7、为船舶与海洋工程、水 利工程、港口与海岸工程、海洋工程与技术等涉水、 涉海专业的实验教学设施，主要用于开展物理模型水 动力实验研究15。用于这些实验研究的实验设施主要 是拖曳水池和循环水槽。在拖曳水池中模型沿轨道运 动，水不动，限于轨道长度，实验时间有限。在循环 水槽中，模型静止而水循环流动，把模型安装在工作 段可进行长时间的测试16。循环水槽侧面和底部装有 观察窗，可以对模型周围流场进行观察和拍摄，可以 保证光路自由进出，非常适合基于光学原理的现代流 场测试技术的应用17。循环水槽在形式上分为立式、 卧式两种，有的无自由液面，可以实现负压。波流循环 水槽是一种带自由液面、具有造波功能的循环水

8、槽网。本文详细介绍了一种小型波流循环水槽的设计过 程，并依托波流循环水槽搭建了创新实验教学平台， 开发了波流水槽水动力实验测试技术，还介绍了各类 型模型实验测试方案，期望本研究可为相关人员提供 技术支持。1波流循环水槽实验室相对于面向科研和社会服务的实验设施，面向教 学的实验室主要服务于教学，兼顾部分基础科研实验， 总体设计规模不大，设备小，所占空间小，操作简单 便捷，维护成本低。本文所介绍的波流循环水槽实验 室即为小型教学实验室，如图1所示。该实验室主要 用于对浅海（沿岸）海洋工程问题、浪流变异、浪流 耦合等物理海洋学科的机理性问题，以及浪、流耦合 作用下泥沙互动等问题开展水动力模型实验研究

9、，波 流循环水槽实验室长40 m、宽0.8 m、高1.25 m，最 大水深0.8 m。40 m的水槽总长分为三段。首段为4 m长的钢结 构造波段，内装推板式造波机、背消波器及导流片组， 推板前的水槽底部安装了造流装置的导流器与多孔 板。中间段长33 m，钢框架镶嵌钢化玻璃结构，两边 镶嵌钢化平板玻璃，每块玻璃高1.2 m，宽1.35 m， 厚度15 mm。尾段为3 m长的钢结构消波段，内装造 流装置用的导流器与多孔板、端消波器及导流片组。 水槽还安装有水池进水、出水、溢水管口。水槽体顶 部安装测试用轨道及试验架，槽底为混凝土结构，平 整防水。安装于水槽首段的造波机为板宽0.8 m、由交流 伺服

10、电机驱动的单块推板式造波机。造波机功率为 3 kW，可造二维规则波、不规则波。规则波周期为 0.52.5 s，最大波高为200 mm，不规则波有义波高为 120 mm，周期为 1.42.0 s。造流系统由水泵、变频电机、导流器件、整流器 件及控制软件等组成。水槽内流量为0.2 m3/s,在最大 水深条件下，水槽内最大流速为2 m/s，流速范围为 0.052 m/s，流向可往复。水泵电机采用可正反转变频 电机，确保正反双向造流。水槽内安装有导流片组、 梳流器和多孔板，起梳理波场和流场的作用。水槽造 流系统采用全流量循环造流形式，水泵和管道安置于 水槽下方。水泵直接固定在地面，并用管道减振器与 管

11、系隔离，减少泵的振动对水槽的影响。管道由管架 固定于地面，以减少水槽的承载。水槽消波装置包括 端消波器和背消波器，端消波器做成三层式，背消波 器做成两层式，均用角铁与不锈钢折边板组装而成。水槽顶部铺设轨道，轨道上置放小车，试验架安 置在小车上，小车可沿轨道移动，可以作为模型或测 试仪器的固定平台。2波流循环水槽控制系统水槽中造流和造波的控制操作是在同一台控制计 算机上进行的。计算机通过控制柜控制交流伺服电动 机，交流伺服电动机通过传动装置驱动推板造波机造 波。同样，计算机通过控制柜发送指令给变频电机， 变频电机驱动水泵造流。水槽中布置的浪高仪和流速 测量仪，将实时造波、造流情况反馈给计算机。还

12、配 置了限位传感器，用于当推板造波机超出传动机构有 效行程或发生类似非正常摩擦时，将信号反馈给计算 机，终止造波。造流控制包括状态监视、造流设定、数据采集。 根据操作界面设定的造流参数以及水位流速频率统计 曲线（预先标定），计算机控制变频器运行，实现对实 验流速的控制。计算机还可以实时监控变频器和变频 电机的工作状态。_流速仪浪高仪通信状态显示一 土水流波浪数据实时显无 _流速仪浪高仪通信状态显示一 土水流波浪数据实时显无 2L水流波浪数据采集一 JL文件系统 一 土人机交互显示一2L实时曲线上实验参数设置JL变频器伺服控制器参数输出显示 上变频器伺服控制器通信状态显示 JL水泵造波机电压电流

13、显示一造波控制包括状态监视、造波设定及数据采集、 分析和处理。根据操作界面设定的造波参数，计算机 控制交流伺服控制器带动伺服电机运行，采集推板位 移传感器输出幅值及变化速率，实现推板按造波要求 的精确控制，限位保护装置保护推板运行不超出传动 装置的有效行程，同时计算采集浪高仪数值并实时显 示波形曲线，记录波浪数据，并可实时监控伺服控制 器和伺服电机的工作状态，对造波行程进行保护及故 障状态报警。造波控制过程如图2所示。整套系统由一台计算 机控制，完成造波文件产生、实施造波、波浪数据采 集、数据分析和造波信号修正等多项工作，由计算机 控制伺服电机的转速和时间，通过传动装置带动推板 实施造波，同时

14、通过浪高仪采集实测数据，并获得实 验所要求的波浪序列，实现对波浪的模拟。图2造波控制流程图控制过程由控制软件完成，图3为控制软件框架 图。控制软件包括控制子系统、运行监测子系统、波 浪/水流测量采集显示子系统等。控制子系统是整个软 件的中心，可以实现实验参数（流速、波浪周期、波 长）设置、实时曲线显示、人机交互界面以及文件存 储查询，可随时观察、控制实验过程并处理记录各种 实验数据，包括历史数据显示、检索，实时数据显示、 存档，以及人机交互、实时监视运行状态与控制等。 运行监测子系统主要监测伺服电机（造波）、变频电机 （造流）的各种运行参数，主要包括电机运行电流、运行电压、变频器通信状态等，这

15、些参数是保证控制 系统安全运行的基础。水流波浪数据的采集是系统控 制的基础，包括水流、波浪参数的数据采集及实时显 示，流速仪、浪高仪通信状态显示等。3波流循环水槽实验教学平台3.1实验教学平台概况本文以波流循环水槽为主体，利用水槽造流、造 波功能，借助先进的测试仪器，开发了波流水槽模型 实验测试技术，搭建了波流循环水槽教学实验平台， 如图4所示。图4波流水槽实验教学平台该教学平台所开设的教学实验主要围绕物理模型 在浪、流场中的响应展开，具体实验项目包括但不限 于以下类别：流体力学基础实验、船舶性能实验、水 利工程实验、海岸工程实验、水下航行器性能实验、 海底管道实验、流场结构实验、仿生推进（减

16、阻）实 验、海洋立管性能实验、海洋动力能源（潮流能、波 浪能）相关实验等。在满足相似条件的前提下，波流循环水槽中模型 实验测试量通常分为力、位移、流场信息三种。教学 实验项目从能力培养上可分为三个层次：基础型实 验，以基础验证和示范演示为主，目的是培养学生分 析解决问题能力及基本的实验技能，主要为教学大纲 中规定的基础验证型实验；综合设计型模型实验， 以面向学科专业、综合设计为其主要特征，以激发学 生求知欲望、培养学生运用基本理论和专业知识综合 使用测试仪器和技术解决工程问题的能力为主要目 标，主要包括专业课程中的综合设计型实验及部分社 会服务型的工程实验；创新型实验，以研究创新和 能力拓展为

17、主要特点，以培养学生创造性和探索性为 主要目标，主要包括以学生为主、教师为辅的与学科竞赛相关的创新类实验项目，以及学生参与的教师科 研创新实验。一个开放的实验教学平台并非只提供某一个 （类）实验设置，实验平台还提供实验场地、测试仪 器、测试技术，学生利用它们来进行创新性思考，设 计实验方案。因此，设计实验方案本身就是实验的一 个环节。以下围绕该教学平台实验教学模块所包含的 实验项目，介绍波流循环水槽中几种常见的实验方案。 3.2模型在水流中的受力测试模型的水动力性能测试是波流循环水槽的主要功 能。在满足相似条件的前提下，将模型固定于水槽之 中，通常固定于水池顶部（如波流水槽的实验小车）, 并与

18、力学测试仪器连接，调试好水槽流速和波浪参数 （模拟海洋环境），测试模型在给定流速、给定波浪参 数情况下的力学性能I。如果需要测试运动模型（旋 转运动、涡激运动）的受力情况，还需要通过动力装 置给模型下达运动指令，这样才能测试海洋环境中给 定模型运动状态情况下的受力规律。在拖曳水池实验 中，模型做强迫运动而水静止，拖车带动模型运动的 速度精度极高，但波流循环水槽中，水流的速度精度 有限，通常为10%左右，因此对于实验要求较高的情 况，需要利用高精度测试仪器修正来流速度。3.3模型在波浪中的运动实验模型在波浪中的运动实验，也称为耐波性实验。 模型系泊于水槽顶端，同时受到浪、流的耦合作用， 根据实验

19、要求设置水流速度、波浪参数，测试模型在 给定水环境下（浪、流或浪流耦合）的运动和系泊力。 相对于传统的陀螺仪测试技术，目前模型运动光学测 试技术的应用更为便捷。如图5所示，可利用光学原理测试模型的运动状 况。将若干光学标记置于模型上，相机识别光学标记 的轨迹后，通过一定的计算方法提取模型的运动特性。 由于这种方法为非接触式，可避免接触式测量仪由于 对模型有一定的作用力而产生的误差，并且传感器捕 捉系统具有较高的位置解析度与快速响应能力，测量 结果精度较高。由于波流循环水槽测试段尺度有限， 进行实验时要充分考虑两个问题：设计实验模型时 要考虑尺度效应问题；实验过程中要考虑池壁效应 问题20o图5

20、六自由度运动的非接触式测量3.4模型尾流流场测试传统的流场测试方法通常有毕托耙测试、流线观 察等。随着光学测试仪器及现代测试技术的发展，以 PIV （ particle image velocimetry ）为代表的非接触式的 流场测试技术在水槽中的使用越来越普遍21o对于水 槽的PIV实验，光路布置是关键环节。如果水槽是三 面透光玻璃，可以采用侧面打光底部拍摄，或者底部 打光侧面拍摄，如图6所示。如果水槽只有两面透光 玻璃，底部并不透光，则需要将激光引入水槽。如图7 所示，水平激光经侧面进入水槽，在水槽中布置一个 折射镜，将水平光转变为垂直片光，相机在水槽侧面 拍照。这种方式要考虑激光折射过程中的损失，还要 考虑折射镜在水槽中对流场的影响，必要时需要对来 流速度进行修正。激光器激光器图6水槽PIV实验光路图（