无背波波流水槽系统设计及关键技术研究

【摘要】：波浪与海流会对海上固定或漂浮的结构物与装备施加复杂的载荷,为了减少开发海上结构物与装备的成本与风险,需要可以模拟波浪与海流的实验室设备。因此,开发出海洋环境物理模拟试验平台是至关重要的。目前,国内外的波流水槽种类较为单一,以配置斜冲型入水口和推板式造波机为主。但推板式造波机在造波过程中会产生背波,干扰造波板的位移与控制,影响造波质量。另一方面,斜冲型入水口在流速较大时,会对水槽的自由液面造成干扰,导致水流的能量损耗,影响水槽内的波浪质量与流场状态。因此,为消除背波与液面干扰的负面影响,本文提出了无背波波流水槽系统,该系统由直冲型入水口与无背波造波机系统组成。通过对水槽流场特性以及造波机结构与位置控制器进行仿真分析,验证造流系统与造波系统的有效性。本文主要完成了以下工作:首先,对波流水槽系统设计的相关理论进行研究,包括流场仿真理论和推板造波理论。对水槽的入水口结构与无背波造波机方案进行设计,对造波机的造波原理进行阐述,并提出无背波波流水槽系统的总体方案。结合系统的技术指标,确定造流系统与造波系统的设计参数,以及造波机的运动极限位置。其次,利用STAR-CCM+建立斜冲型、上冲型以及无背波波流水槽的数值计算模型,并对模型进行数值模拟。分析比较不同工况下,三种类型波流水槽的速度矢量分布状态与试验区的垂向流速分布状态。对无背波造波机位于最大涉水深度时的模型进行数值模拟,分析水槽内的流场状态。再次,对无背波造波机的机械结构进行设计,确定造波机在极限位置的最大受载情况。对关键部件结构进行静力学与模态分析,得到部件结构的静力学性能参数、固有频率与振型,对部件结构进行优化,验证优化后结构的静力学性能。最后,推导无背波造波机的数学模型,通过ADAMS软件对机构进行运动学分析,对输入和输出数据进行系统辨识,得到无背波造波机的运动学模型。设计无背波造波机系统的位置自抗扰控制器,并对其进行稳定性分析。通过仿真分析,验证所设计的位置自抗扰控制系统的有效性。