【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、造波板によって波を人工的に発生させる造波装置に関し、特に大型の波を発生させることができるようにした造波装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、模型実験などに用いられるこの種の造波装置としては、ピストン型とフラップ型の2種類が知られている(例:特公昭59−13691号、特公平4−20136号公報等)。ピストン型造波装置は、図2に示すように有限長の閉路を形成する水槽1内の一端部側において、造波板2を油圧シリンダ等の駆動装置3によりガイドレール4に沿って一定の周期で平行に往復動させることにより波5を人工的に発生させるようにしたものである。フラップ型造波装置は、造波板2の下端を回動支点として前後方向に一定の周期で傾動させることにより波を発生させるようにしたものである。
【0003】
このようなピストン型やフラップ型の造波板に、振幅a、波周期Tの運動を与えて造波すると、造波板の動きは、
角速度:ω=(2π)/T
位 置:x=a・sinωt
速 度:v=aω・cosωt
加速度:α=−(a・ω2)・sinωt
となる。
ここで、造波板2の前面および背面側に水6がある場合には、造波板2を駆動するために必要な力Fは、規則的な造波を考えると、次式によって表される。
F=Fp・cosωt−(Fl+Fi)sinωt ・・・(1)
ただし、Fは総駆動力、Fpは造波減衰力(水から受ける力)、Flは流体付加質量(水から受ける力)、Fiは造波板の慣性力(造波装置で消費される力)である。
∴ Fmax={Fp2+(Fl+Fi)2}0.5 ・・・(2)
造波板等の動作部分の重量をWo とすると、
であるから、
Fi=Wo ・a・ω2/g ・・・(4)
したがって、
Fmax={Fp2+(Fl+Wo・a・ω2 /g)2}0.5 ・・・(5)
となる。なお、gは重力である。
ただ、このような従来の造波装置では、造波板2の背面側にも水が存在し、そこに不可避的に波を発生させてしまうため、本来的に不必要な動力を費やし、大きな駆動装置が必要である。
【0004】
そこで、このような無駄を動力の損失を少なくするため、水槽と造波板との間を止水装置によって止水し、造波板の背面側に水が回り込まない構造とした造波装置(以下、このような装置を「背面空気式造波装置」という)が中村、鹿島等によって提案されている(第28回海岸工学講演会論文集「海浜変形実験用大型造波水路の建設と計測システム」(1981))。このような背面空気式造波装置においては、造波板の背面側で波を作らないため、Fp,Flは半分で済むが、造波板の前面に静水圧Fsがオフセットとして加わるため、駆動力Fは、
となる。
前記静水圧Fsを相殺するため、中村、鹿島等は図3に示すように静圧シリンダ7によって造波板2の背面側に静水圧Fsと逆方向の力−Fsを作用させ、静水圧Fsとバランスさせるようにしている。なお、8は窒素ガスアキュムレータで、これによってストローク変動に伴う容積変化および供給圧力の変動を補償している。9は油圧ポンプ、10は油圧配管である。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図3に示した従来の背面空気式造波装置にあっては、静圧シリンダ7として高圧(概ね140Kg/cm2 以上)の油圧シリンダを使用しているため、シリンダ自体のコストが高く、また大波高の波を発生させる場合、数百にも及ぶ窒素ガスアキュムレータ8を必要とするため、窒素ガスアキュムレータ8を収納する大きな油圧ユニット室を設ける必要があり、装置自体が大型化し製造コストが著しく高くなるという問題があった。
また鉱物油などの油と、窒素ガスの2種類の流体を必要とするばかりか、高圧配管が必要なため、一層コストが嵩み、しかも高圧のためメインテナンスが面倒であるという問題もあった。
そこで、このような問題を解決する方法として、図4に示すように静圧シリンダの代わりに機械的なばね11を用いて造波板2に静水圧Fsと逆向きの力−Fsを作用させるようにした背面空気式造波装置も提案されている。しかしながら、このような装置においては、ばね11自体の製作が面倒であるとともに、静水圧Fsに応じてばね力を可変設定するための張力調整機構を必要とするといった問題があった。
【0006】
本発明は上記した従来の問題を解決すべくなされたもので、その目的とするところは、背面空気式造波装置において、静水圧を空気ばねによって相殺することにより、大波高の波を発生させることができ、また装置の簡素化と製造コストを低減することができるようにした造波装置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、水槽内で造波板に往復動を与えて波を発生させる造波装置において、前記造波板と水槽との間を止水して造波板の後面側を水のない空間にし、造波板前面側にのみ静水圧を作用させるとともに、この静水圧に抗する方向に力が作用する空気ばねを設け、この空気ばねを造波板の移動方向に直列に接続された複数個の伸縮自在なベローズで構成し、空気圧縮機に空気配管を介して接続したことを特徴とする。
【0008】
本発明において、空気ばねは造波板の前面に加わる静水圧に抗する方向の力を造波板に作用することで、静水圧を相殺する。ベローズは、造波板の往復動に伴い伸縮する。空気圧縮機は、市販されている低圧のものを使用すればよい。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
図1は本発明に係る造波装置の概略構成を示す断面図である。なお、従来技術の欄で説明した構成部材等と同一のものについては同一の符号を付し、その説明を省略する。これらの図において、この実施の形態では、水槽1の全長、水深、幅は、それぞれ200m、6m、5mで、その一端部に背面空気式の造波装置20が設けられている。
【0010】
前記造波装置20は、造波時に水槽1の一端部側において、油圧シリンダ等の駆動装置3によりガイドレール4に沿って平行に往復動されるピストン型の造波板2を備えている。この造波板2の両側面および下面と、水槽1の内壁面および底面との隙間は、止水装置21によって止水されることにより、造波板2の背面側には水槽1内の水6が侵入しないようにしている。このため、造波板2の前面側にのみ水6が存在し、背面側には造波板2の往復動を可能にする空気室22が形成されている。造波板2の前面に作用する水6の全圧力の大きさ、すなわち静水圧Fsは90トン、造波板2の重量Woは10トン、最大振幅は±4m、最大速度は2m/sである。前記止水装置21としては、従来から一般に用いられているチューブ式の止水装置が用いられる。このような造波板2は、大きな静水圧Fsに耐え得るようにトラス構造によって補強されるとともに、たとえば4つの空気ばね23によって前記静水圧Fsと等しく向きが反対方向の力(−Fs)が付与されている。各空気ばね23は、造波板2の移動方向に直列に接続された4つの伸縮自在なベローズ23a〜23dからなり、空気圧縮機24に空気配管25を介して接続されることにより、10Kg/cm2 以下の低圧が供給される。また、空気配管25には、空気タンク26、圧力計27、弁28等が接続されている。空気タンク26は、造波板2の往復動に伴う空気ばね23の容積変化および供給圧力の変動を吸収、低減する。空気ばね23による力−Fsは、静水圧Fsに応じて空気圧縮機24から供給される空気圧を調整することにより容易に調整することができる。なお、空気ばね23を構成するベローズの形状、数、大きさ等は、静水圧Fsに応じて変更すればよい。
【0011】
このような構造からなる造波装置20において、波5を発生させるには静水圧Fsに見合う力−Fsを空気ばね23によって圧造波板2に静水圧Fsと逆方向に作用させることにより、造波板2を初期位置に保持する。この場合、造波板2は空気ばね23による力−Fsを増大させると静水圧Fsに打ち勝つため前進し、減少させると後退し、振幅0の位置に設定される。振幅0の位置としては、造波板2の移動ストロクの中央位置、前進位置、後退位置のいずれの位置であってもよい。
次に、この状態より駆動装置3をコンピュータ制御で駆動して造波板2をプログラム中で所定の角速度および振幅で往復動させると、波高Hの波5を発生させることができる。この時、造波板2の駆動力Fは、Fsが相殺される代わりに、造波板2の総重量がWo+Wsに増加するため、
となる。
ただし、Wsは空気ばねの重量である。
【0012】
ここで、空気ばね23を用いると、一般的に造波装置の可動部分の重量増加に伴う機械系慣性力Fiの増加が過大となり、流体力Fp,Flが半分になる利点が生かせなくなるが、きわめて大きな波を発生させる場合は角速度ωが小さくなるため、これが有効であることが判った。すなわち、一般に、波の波高の最大値Hmaxは、砕波が起こるため、波長Lの0.1程度である。波長Lは、周期Tおよび角速度ωから、簡略式で、
造波装置で発生する波の時間は、通常数秒であり、そこで砕波波高を計算すると、次の表のようになる。
【0013】
【表1】
【0014】
通常、造波装置に要求される性能は、周期Tが1ないし2秒で、波高Hが0.3m程度が多いが、波高Hが3mを越えるような大波高の波を発生させる装置では、上記表から明かなように周期Tが4秒ないし6秒となる。
これは、大波高を発生させる場合には、通常の装置に比べて3倍程度長い周期で造波することになる。また、これは上記した(9)式でいうと、(Wo+Ws)・a・ω2/gの項のω2が、小さな波を発生させる場合に比べて1/9程度に小さくなることになる。このことは、Wsの増加重量が造波板を駆動するために大した負担にならなくなることを意味する。
【0015】
また、図3に示した従来の背面空気式造波装置においては、高圧(概ね140Kg/cm2 )の静圧シリンダ7を用いているため、シリンダ自体が高価で、多数の窒素ガスアキュムレータ8を必要とし、装置の製造コストが著しく高くなるが、本発明においては低圧の空気圧縮機24によって10Kg/cm2 程度の低圧を空気ばね23に供給して静水圧Fsとバランスさせればよいので、市販の安価な圧縮機を使用することができ、また、窒素ガスアキュミュレータが不要である。また、低圧を供給さればよいので、空気配管25として低圧用のものが使用でき、さらに低圧であればメインテナンスが容易で、安価に提供することができる。
また、図4に示した機械的なばね11を用いた背面空気式造波装置においては、ばね自体の製作が面倒であるとともに、ばねの張力調整機構を必要とするが、本発明においてはベローズからなる空気ばね23を用いているので、製作が容易で、張力調整機構を必要とせず静水圧Fsに応じて空気力を弁28によって可変するだけでよい。
【0016】
【発明の効果】
以上説明したように本発明に係る造波装置は、水槽内で造波板に往復動を与えて波を発生させる造波装置において、前記造波板と水槽との間を止水して造波板の後面側を水のない空間にし、造波板前面側にのみ静水圧を作用させるとともに、この静水圧に抗する方向に力が作用する空気ばねを設け、この空気ばねを造波板の移動方向に直列に接続された複数個の伸縮自在なベローズで構成し、空気圧縮機に空気配管を介して接続したので、構造が簡単で、安価な低圧の空気圧縮機を使用することができ、製造コストを低減することができる。また、静水圧に応じて空気ばねに供給される空気圧を変えればよいので、装置の取り扱いが簡単かつ容易で、特に大きな波高の波を発生させる場合に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る造波装置の概略構成を示す断面図である。
【図2】 従来のピストン型造波装置の断面図である。
【図3】 静圧シリンダを用いた従来の背面空気式造波装置の断面図である。
【図4】 ばねを用いた従来の背面空気式造波装置の断面図である。
【符号の説明】
1…水槽、2…造波板、3…駆動装置、4…ガイドレール、7…静圧シリンダ、8…窒素ガスアキュミュレータ、9…油圧ポンプ、10…油圧配管、21…止水装置、22…空気室、23…空気ばね、23a〜23d…ベローズ、24…空気圧縮機、25…空気配管、26…空気タンク。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wave making device that artificially generates waves using a wave making plate, and more particularly to a wave making device that can generate a large wave.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as this type of wave making apparatus used for model experiments and the like, there are two types known as a piston type and a flap type (eg, Japanese Patent Publication No. 59-13691, Japanese Patent Publication No. 4-20136). As shown in FIG. 2, the piston-type wave making device has a wave-making plate 2 fixed along a guide rail 4 along a guide rail 4 by a driving device 3 such as a hydraulic cylinder on one end side in a water tank 1 that forms a closed circuit of a finite length. The wave 5 is artificially generated by reciprocating in parallel in a cycle. The flap-type wave generator is configured to generate a wave by tilting the wave-making plate 2 in the front-rear direction at a constant cycle with the lower end of the wave-making plate 2 as a pivot point.
[0003]
When such a piston-type or flap-type wave making plate is given a motion with an amplitude a and a wave period T, the wave making plate moves as follows:
Angular velocity: ω = (2π) / T
Position: x = a · sinωt
Speed: v = aω ・ cosωt
Acceleration: α = − (a · ω 2 ) · sinωt
It becomes.
Here, when there is water 6 on the front side and the back side of the wave plate 2, the force F required to drive the wave plate 2 is expressed by the following equation in view of regular wave formation. The
F = Fp · cosωt− (F1 + Fi) sinωt (1)
Where F is the total driving force, Fp is the wave-making damping force (force received from water), Fl is the fluid added mass (force received from water), and Fi is the inertial force of the wave-making plate (force consumed by the wave-making device) ).
Max Fmax = {Fp 2 + (Fl + Fi) 2 } 0.5 (2)
If the weight of the moving part such as wave plate is Wo,
Because
Fi = W0 · a · ω 2 / g (4)
Therefore,
Fmax = {Fp 2 + (F1 + Wo · a · ω 2 / g) 2 } 0.5 (5)
It becomes. Note that g is gravity.
However, in such a conventional wave making device, water is also present on the back side of the wave making plate 2, and waves are inevitably generated there. A drive is required.
[0004]
Therefore, in order to reduce the power loss due to such waste, the wave making device having a structure in which water is stopped between the water tank and the wave making plate by the water stopping device so that water does not flow around the back side of the wave making plate ( In the following, such a device is referred to as “rear air-type wave generator” by Nakamura, Kashima et al. (Proceedings of the 28th Coastal Engineering Lecture Meeting “Construction and Measurement of Large Wave-making Channels for Beach Deformation Experiments” System "(1981)). In such a back air-type wave making device, Fp and Fl are halved because no wave is generated on the back side of the wave making plate, but the hydrostatic pressure Fs is applied as an offset to the front surface of the wave making plate. The force F is
It becomes.
In order to cancel out the hydrostatic pressure Fs, Nakamura, Kashima and the like apply a force -Fs opposite to the hydrostatic pressure Fs on the back side of the wave plate 2 by the hydrostatic cylinder 7 as shown in FIG. I try to balance it. Reference numeral 8 denotes a nitrogen gas accumulator, which compensates for volume changes and supply pressure fluctuations accompanying stroke fluctuations. 9 is a hydraulic pump and 10 is a hydraulic pipe.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional back side pneumatic wave generator shown in FIG. 3, since a high pressure (approximately 140 kg / cm 2 or more) hydraulic cylinder is used as the static pressure cylinder 7, the cost of the cylinder itself is high. When generating a wave with a large wave height, several hundreds of nitrogen gas accumulators 8 are required. Therefore, it is necessary to provide a large hydraulic unit chamber for storing the nitrogen gas accumulators 8, which increases the size of the device itself and the manufacturing cost. There was a problem that becomes extremely high.
In addition to the need for two types of fluids, such as mineral oil and nitrogen gas, high pressure piping is required, which further increases the cost and is troublesome because of high pressure.
Therefore, as a method for solving such a problem, as shown in FIG. 4, a force -Fs opposite to the hydrostatic pressure Fs is applied to the wave plate 2 by using a mechanical spring 11 instead of the hydrostatic cylinder. There has also been proposed a back air type wave making device. However, such an apparatus has a problem that the manufacture of the spring 11 itself is troublesome and a tension adjustment mechanism for variably setting the spring force according to the hydrostatic pressure Fs is required.
[0006]
The present invention has been made to solve the above-described conventional problems, and the object of the present invention is to generate a wave with a large wave height by canceling the hydrostatic pressure with an air spring in a back air type wave making device. It is another object of the present invention to provide a wave making device that can simplify the device and reduce the manufacturing cost.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a wave making device that generates waves by reciprocating a wave making plate in a water tank. The side is made a water-free space, and hydrostatic pressure is applied only to the front side of the wave plate, and an air spring is provided that acts in a direction against the hydrostatic pressure, and this air spring is moved in the direction of movement of the wave plate. It is composed of a plurality of stretchable bellows connected in series, and is connected to an air compressor via an air pipe.
[0008]
In the present invention, the air spring cancels the hydrostatic pressure by acting on the wave making plate a force in a direction against the hydrostatic pressure applied to the front surface of the wave making plate. The bellows expands and contracts as the wave plate reciprocates. The air compressor may be a commercially available low pressure one.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on embodiments shown in the drawings.
FIG. 1 is a sectional view showing a schematic configuration of a wave making device according to the present invention. In addition, the same code | symbol is attached | subjected about the same thing as the structural member etc. which were demonstrated in the column of a prior art, and the description is abbreviate | omitted. In these drawings, in this embodiment, the total length, water depth, and width of the water tank 1 are 200 m, 6 m, and 5 m, respectively, and a back air type wave making device 20 is provided at one end thereof.
[0010]
The wave making device 20 includes a piston-type wave making plate 2 that is reciprocated in parallel along the guide rail 4 by a driving device 3 such as a hydraulic cylinder on one end side of the water tank 1 during wave making. The gap between the both side surfaces and the lower surface of the wave plate 2 and the inner wall surface and the bottom surface of the water tank 1 is stopped by the water stop device 21 so that the water in the water tank 1 is placed on the back side of the wave plate 2. 6 is prevented from entering. For this reason, the water 6 exists only on the front side of the wave plate 2, and an air chamber 22 that allows the wave plate 2 to reciprocate is formed on the back side. The total pressure of the water 6 acting on the front surface of the wave plate 2, that is, the hydrostatic pressure Fs is 90 tons, the weight Wo of the wave plate 2 is 10 tons, the maximum amplitude is ± 4 m, and the maximum speed is 2 m / s. is there. As the water stop device 21, a tube-type water stop device that has been conventionally used is used. Such a wave plate 2 is reinforced by a truss structure so that it can withstand a large hydrostatic pressure Fs, and, for example, four air springs 23 cause a force (−Fs) in the opposite direction equal to the hydrostatic pressure Fs. Has been granted. Each air spring 23 is composed of four telescopic bellows 23a to 23d connected in series in the moving direction of the wave making plate 2, and is connected to the air compressor 24 via an air pipe 25, thereby providing 10Kg / A low pressure of cm 2 or less is supplied. In addition, an air tank 26, a pressure gauge 27, a valve 28, and the like are connected to the air pipe 25. The air tank 26 absorbs and reduces the volume change of the air spring 23 and the fluctuation of the supply pressure caused by the reciprocating motion of the wave making plate 2. The force -Fs by the air spring 23 can be easily adjusted by adjusting the air pressure supplied from the air compressor 24 in accordance with the hydrostatic pressure Fs. In addition, what is necessary is just to change the shape of a bellows which comprises the air spring 23, a number, a magnitude | size, etc. according to the hydrostatic pressure Fs.
[0011]
In the wave making device 20 having such a structure, in order to generate the wave 5, a force −Fs corresponding to the hydrostatic pressure Fs is applied to the wave making plate 2 in the direction opposite to the hydrostatic pressure Fs by the air spring 23. The corrugated plate 2 is held at the initial position. In this case, the wave plate 2 moves forward to overcome the hydrostatic pressure Fs when the force -Fs by the air spring 23 is increased, and moves backward when the force -Fs is decreased. The position with zero amplitude may be any of the center position, the forward position, and the backward position of the moving stroke of the wave making plate 2.
Next, when the driving device 3 is driven by computer control from this state and the wave making plate 2 is reciprocated at a predetermined angular velocity and amplitude in the program, a wave 5 having a wave height H can be generated. At this time, the driving force F of the wave-making plate 2 is such that the total weight of the wave-making plate 2 increases to Wo + Ws instead of canceling out Fs.
It becomes.
Here, Ws is the weight of the air spring.
[0012]
Here, when the air spring 23 is used, generally, the increase in the mechanical inertia force Fi accompanying the increase in the weight of the movable part of the wave making device becomes excessive, and the advantage that the fluid forces Fp and Fl are halved cannot be utilized. It was found that this is effective when the extremely large wave is generated because the angular velocity ω is small. That is, in general, the maximum value Hmax of the wave height is about 0.1 of the wavelength L because wave breaking occurs. The wavelength L is a simple expression from the period T and the angular velocity ω,
The wave time generated by the wave generator is usually a few seconds, and the breaking wave height is calculated as shown in the following table.
[0013]
[Table 1]
[0014]
Usually, the performance required of the wave generator is such that the period T is 1 to 2 seconds and the wave height H is about 0.3 m, but in an apparatus that generates a wave with a large wave height such that the wave height H exceeds 3 m, As apparent from the above table, the period T is 4 to 6 seconds.
In the case where a large wave height is generated, the wave is generated with a period about three times longer than that of a normal device. Also, when this is referred to the above (9), (Wo + Ws) · a · ω 2 / g of the term omega 2 becomes to become small as 1/9 in comparison with the case of generating the small waves . This means that the increased weight of Ws does not become a heavy burden for driving the wave plate.
[0015]
Further, in the conventional back side air wave generator shown in FIG. 3, since the high pressure (approximately 140 kg / cm 2 ) static pressure cylinder 7 is used, the cylinder itself is expensive, and a large number of nitrogen gas accumulators 8 are installed. However, in the present invention, a low pressure of about 10 Kg / cm 2 may be supplied to the air spring 23 by the low pressure air compressor 24 to balance it with the hydrostatic pressure Fs. A commercially available inexpensive compressor can be used, and a nitrogen gas accumulator is unnecessary. Moreover, since low pressure should just be supplied, the thing for low pressure can be used as the air piping 25, and if it is low pressure, maintenance is easy and it can provide at low cost.
Further, in the rear pneumatic wave making apparatus using the mechanical spring 11 shown in FIG. 4, the spring itself is troublesome to manufacture and requires a spring tension adjusting mechanism. Since the air spring 23 is used, the manufacture is easy, and no tension adjustment mechanism is required, and the aerodynamic force only needs to be varied by the valve 28 in accordance with the hydrostatic pressure Fs.
[0016]
【The invention's effect】
As described above, the wave making device according to the present invention is a wave making device that generates waves by reciprocating a wave making plate in a water tank, and makes water between the wave making plate and the water tank. The rear side of the corrugated plate is made into a space free of water, and a hydrostatic pressure is applied only to the front side of the corrugated plate, and an air spring is provided in which a force acts in a direction against the hydrostatic pressure. Since it is composed of a plurality of stretchable bellows connected in series in the moving direction of the air and connected to the air compressor via an air pipe, it is possible to use a low-pressure air compressor that is simple in structure and inexpensive. Manufacturing cost can be reduced. Further, since the air pressure supplied to the air spring may be changed in accordance with the hydrostatic pressure, the handling of the apparatus is simple and easy, and it is effective particularly when generating a wave with a large wave height.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a schematic configuration of a wave making device according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a conventional piston-type wave making device.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a conventional back pneumatic wave generator using a static pressure cylinder.
FIG. 4 is a cross-sectional view of a conventional back side air wave generator using a spring.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Water tank, 2 ... Wave plate, 3 ... Drive apparatus, 4 ... Guide rail, 7 ... Static pressure cylinder, 8 ... Nitrogen gas accumulator, 9 ... Hydraulic pump, 10 ... Hydraulic piping, 21 ... Water stop device, 22 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Air chamber, 23 ... Air spring, 23a-23d ... Bellows, 24 ... Air compressor, 25 ... Air piping, 26 ... Air tank.