بخشی از مقاله
چکیده
اساس این پژوهش نحوه کالیبراسیون موجساز لولایی و سنسور موج خازنی از طریق ارائه منحنیهای کالیبراسیون موج دو بعد ی منظم در آزمایشگاه هیدرولیک دریایی مجتمع آزمایشگاهی شیخ بهایی واقع در دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران میباشد. این کانال موج مجهز به یک مولد موج لولایی، جاذب موج غیر فعال و سنسور اندازهگیری ارتفاع موج است.
سنسور ارتفاع سنج1 توسط ماژول ثبت ارتفاع و ثبات موج، دادههای مکان مربوط به ذرات آب را در هر لحظه دلخواه بر روی سیستم ذخیره نموده و از طریق روابط نظری موجود، ارتفاع و دوره تناوب موج محاسبه گردید. با فرض تئوری خطی موج مرتبه اول و استفاده از مولد موج لولایی جهت شبیهسازی آب عمیق، امواج ایجاد شده در کانال به صورت سینوسی کامل نبوده و ستیغ2 موج نسبت به ناوه3 موج تیزتر مشاهده گردید. در این تحقیق، با به کار بردن سنسور موج خازنی بجای استفاده از روش پردازش تصویر، دقت کالیبراسیون نسبت به مرحله قبلی که توسط سازنده آن انجام شده، افزایش یافته است.
مقدمه
به دلیل پتانسیلهای بالای دریایی کشور، انجام مطالعات در این حوزه از اهمیت قابل توجهی برخوردار است. مطالعات عددی و شبیهسازی فیزیکی رفتار امواج، همواره میتواند راهگشای فعالیتها در حوزههای مختلف دریا از جمله صنایع دریانوردی و کشتی سازی، ساخت سازههای ساحلی و فراساحلی، موجشکنها، استحال انرژی از امواج و ... باشد. شبیهسازی فیزیکی امواج در کانالهای موج دو بعدی انجام میگیرد که از ویژگیهای بارز آنها طول زیاد در برابر عرض کم است.
کانال مورد مطالعه در این پژوهش، دارای طول 16 متر، عرض 60 سانتیمتر و ارتفاع 1 متر بوده و بسته به میزان استفاده از کانال، بهتر است سالیانه کالیبره شده و بوسیله آزمایش، میزان خطای دستگاه مشخص و با مرجع استاندارد مقایسه شود. در شکل 1 کانال مورد پژوهش مشاهده میگردد. از جمله کانالهای ساخته شده در ایران میتوان به کانال موج مرکز تحقیقات خاک و آبخیزداری اشاره کرد که با طول 35 متر و مولد موج پیستونی، یکی از پر کاربرد ترین کانالهای داخلی است.
از دیگر نمونهها، کانال موج دانشگاه صنعتی شریف، دانشگاه علوم و فنون دریایی امام خمینی نوشهر و مرکز تحقیقات آب حکیمیه تهرانپارس را میتوان نام برد که توسط متخصصین داخلی طراحی و ساخته شده و دارای امکانات کافی برای ایجاد امواج منظم و نامنظم میباشند.
در نمونهای از کانالهای موجود در دنیا، موجساز پنوماتیکی با سرعت 5 تا 25 متر بر ثانیه در کانال طراحی شده است که بیشترین ارتفاع موج ایجاد شده در آن 70 سانتیمتر بوده و با طول 58 متر و عرض 5 متر یکی از بزرگترین کانالهای موج ساخته شده میباشد.[2] از موارد مشابه دیگر میتوان به کانال موج دانشگاه کبک کانادا اشاره کرد که با استفاده از سرعت سنج صوتی و قرار دادن 4 سنسور ارتفاع سنج موج، در سال 2013 کالیبره گردیده است.
شکل :1 کانال موج آزمایشگاه هیدرولیک دریایی دانشگاه آزاد اسلامی واحد علوم و تحقیقات تهران
مبانی نظری
در شبیهسازی امواج، دو عامل ارتفاع موج و دوره تناوب موج به عنوان شاخصهای قابل اندازهگیری هستند. تئوری ساده ایجاد امواج بوسیله موجساز در آبهای کم عمق، توسط گالوین در سال - 1964 - ارائه گردید.[4] این تئوری بیان میکند که مقدار آب جابجا شده توسط موجساز بایستی برابر با حجم زیر ستیغ موج نسبت به خط ثابت باشد. - خط تراز میانگین سطح آب -
در این معادله H ارتفاع موج، S گام حرکت4 پارو، h عمق آب و k عدد موج میباشد. شبیهسازی آب کم عمق با مولد موج پیستونی امکان پذیر است و معادله موج برای این موجساز تعریف شده است که بصورت حدی برای آبهای کم عمق به صورت زیر محاسبه میشود.
- 2 - موجساز لولایی نسبت به سیگنالهای ورودی بسیار سریع واکنش نشان میدهد. این موجساز امواجی با تحریک کمتر در کف حوضچه نسبت به سطح آب تولید میکند و در نتیجه برای ایجاد امواج در آبهای کم عمق مناسب به نظر نمیرسد و برای شبیهسازی آبهای عمیق طراحی می-گردد. در موجساز لولایی حجم آب جابهجا شده نصف مدل پیستونی است
- 3 - در کانال موج مورد مطالعه در این پژوهش، موجساز لولایی تعبیه گردیده است. تئوری موج حاکم، تئوری خطی موج مرتبه اول است، زیرا در این تئوری ناحیه تاثیرگذار سطح آب است و قسمتهای دیگر سیال در حالت سکون باقی میماند و موج بصورت آشفتگی در سطح سیال ایجاد می-گردد و فرضیات بکار رفته در این تئوری عبارتند از: - 1 حرکت موج دوبعدی و شکل موج سینوسی - 2 فشار در سطح یکنواخت - 3 بستر افقی و ثابت
تجهیزات لازم و روش انجام کار:
جهت بالابردن دقت و کیفیت کالیبراسیون مولد موج، ابتدا بایستی از آببندی کنارههای کانال اطمینان حاصل شود تا حجم آب موجود در کانال تغییر نکند. برای بدست آوردن دادههای خروجی دقیق از سنسور موج خازنی استفاده شده است که در هر لحظه دلخواه مکان ذرات آب را بر روی سیستم خروجی به صورت آنلاین نشان میدهد. جهت انجام آزمایشهای دقیقتر و نیز برقراری شرط تکرار پذیری، این سنسور در مرکز کانال قرار گرفته زیرا در مرکز کانال، موج حاصل در مطلوبترین شکل خود مشاهده میشود و تاثیر موج برگشتی بر رو ی موج رفت کمتر است و با دور نمودن سنسور از جاذب موج و مولد موج به یک نسبت مساوی میتوان موج حاصل را با کمترین خطا بررسی نمود.
با تعیین خط تراز میانگین به کمک ماژول ارتفاع سنج موج در حالت سکون آب و با عمق ثابت 60 سانتیمتر، مولد موج را برای مقادیری که از قبل تعیین شده به حرکت در آورده و موج حاصل مشاهده میگردد . با جمع آوری دادهها و تعیین ستیغ و ناوه موج میتوان به کمک محاسبات ریاضی در محیط نرم افزار5 ارتفاع موج و با بدست آوردن اختلاف زمانی بین دو ستیغ متوالی، دوره تناوب موج را بدست آورد.
برای به حرکت در آوردن پاروی موجساز در این تحقیق از سروو موتوری با توان 750 وات و 2000 دور بر دقیقه با حجم کم و فرمانپذیری و دقت بالا به سیگنالهای ورودی، استفاده شده است. جهت تبدیل حرکت دورانی به خطی نیز از مکانیزم بال اسکرو و مهره مخصوص با پس زنی6 در حد صفر استفاده گردید. محدوده حرکت این مکانیزم برای کانال موج فوق به این صورت میباشد : گام پارو از 10 میلیمتر تا 140 میلیمتر و فرکانس ورودی بین 0 تا 250 دور در دقیقه تعریف شده است. شکل 2 طرحی شماتیک از موج ایجاد شده در کانال موج را نشان میدهد.
شکل:2 طرح شماتیک از موج ایجاد شده در کانال موج
در شکل 3 و 4 موج ایجاد شده در حین انجام آزمایشها مشاهده میشود.
شکل :3 موج ایجاد شده در کانال موج به همراه سنسور ارتفاع سنج موج خازنی
شکل :4 نمایی از موج منظم ایجاد شده در کانال موج
