CN102677625A - 一种用于拖曳水池的模拟剖面流的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种拖曳水池模拟剖面流装置，包括：固定支架、导流角、伸缩杆和橡胶面，固定支架与拖车固定连接；导流角、伸缩杆和橡胶面都固定在固定支架上；本发明提供了一种有别于传统造流方法的更有效更经济的模拟分层剖面流的装置，在拖曳水池中利用拖车牵引海洋结构物模型以及本装置，池水与结构物模型相对运动，形成水流，同时，利用本装置改变结构物模型周围的水流通道的宽窄，模拟真实海洋环境中流速随水深按一定规律分布等特征的流场。

Description

一种用于拖曳水池的模拟剖面流的装置
技术领域
本发明涉及一种船舶与海洋工程技术领域的装置，尤其是一种用于船舶与海洋工程模型拖曳试验的提供剖面流模拟的装置。
背景技术
模型试验作为船舶与海洋工程领域的一种重要研究方法，对于准确预报海洋结构物的水动力性能，设计具有良好性能的海洋结构物，有着重要的意义。
在海洋工程水动力学试验中，需要模拟真实的风、浪、流等环境条件，以预报在真实海洋环境中的运动性能和力学特性。其中，流的准确模拟对于海洋结构物的水动力性能(如平台涡激运动和立管涡激振动)的预报起着至关重要的作用。实际中的流在垂直于水面的方向是分布不均匀的，通常海洋表层流速较大，随着水深增加，流速逐渐减小。作为简化，在模型试验中有时会将垂向分布不均匀的流剖面近似为均匀流进行模拟。但是，随着海洋工程技术的发展，人们对流的模拟提出了新的要求，期望能在实验室精确模拟流剖面。
当前所采用的流模拟方法可分为以下两类：
一类是将海洋结构物模型在拖曳水池中拖航，由此获得相对于模型运动的稳定的水流。这种方法的优点在于经济性好、可获得的流速高、可获得稳定的流场；但其只能获得稳定的均匀流，无法对流速剖面进行模拟。
另一种方法是用泵在水池中造流。根据造流方法不同，可以分为高压水管局部造流和水池整体循环造流两种。
根据对现有技术资料的检索，季春群等发表在《中国海洋平台》1996年04期191-193页上的“海洋工程环境条件模拟”一文中，介绍了上海交通大学海洋工程水池的造流系统。该方法采用整体循环造流的方式，利用高压水泵抽水喷射，带动周围水体绕可升降假底流动。此方法难以模拟流速随水深按一定规律分布的流场。中国专利文献号CN100410447C记载了一种“推广”。它由六层造流装置组成，每一层装置包括：驱动水泵、进水管道、出水管道。在第一、六层造流装置的进水管道和出水管道间和第二、五层造流装置的进水管道和出水管道间均布置有管道连接，并由阀门控制启闭。该系统通过并流管道的连通作用和阀门的控制，将水泵驱动的能量在各层间进行不同的分配，从而使系统具备制造各种不同剖面流的能力。然而，这种系统造流时需要使用大功率水泵驱动整个水池的水，耗电量巨大，而且流场发展稳定和流速调整都相当费时，很不经济。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种有别于传统造流方法的更有效更经济的模拟分层剖面流的装置。本装置的发明正是为了解决以上难题，在拖曳水池中利用拖车牵引海洋结构物模型以及本装置，池水与结构物模型相对运动，形成水流，同时，利用本装置改变结构物模型周围的水流通道的宽窄，模拟真实海洋环境中流速随水深按一定规律分布等特征的流场。本装置使得用拖曳方法获得剖面流成为可能，原理简单，实现方便，经济性上也远优于专利CN100410447C记载的分层造流系统。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种有别于传统造流方法的更有效更经济的模拟分层剖面流的装置。
为实现上述目的，本发明提供了一种该装置针对要模拟的目标流剖面，采用CFD(Computational Fluid Dynamics)程序计算得到实现目标流剖面所需的水流通道表面的形状，并得到通道曲面55个特定位置的伸缩杆的伸缩量。通过调整伸缩杆的伸缩量，改变水流通道的形状，从而达到改变流速的目的。
本发明提供了一种拖曳水池模拟剖面流装置，包括固定支架、导流角、伸缩杆和橡胶面，固定支架与拖车固定连接；导流角、伸缩杆和橡胶面都固定在固定支架上。
在本发明的较佳实施方式中，所述的固定支架包括，基座架和两根悬臂；其中，基座架是所有伸缩杆的支承面，由多根组合型材构成方形框架，组合型材相交位置为各个伸缩杆的支撑点；两个悬臂与基座架焊接，悬臂上端与拖车连接固定。
所述的导流角固定在固定支架前端。
所述的伸缩杆固定在固定支架上，伸缩杆表面加工有螺纹，通过旋转伸缩杆控制伸缩杆的伸缩量；伸缩杆前端跟橡胶面连接，通过调节伸缩杆的伸缩量使橡胶面达到预期的形状。
所述的橡胶面，是固定在固定支架上，并且与伸缩杆相连接；所述的橡胶面外表面光滑，具有良好的伸缩性和变形恢复能力；剖面流的分布情况决定于橡胶面的形状，所述的橡胶面的形状具体是由多根伸缩杆控制。
所述的导流角被设置为，在拖车行走时将水流分成内外两股，以保证试验段水流的稳定。
所述的橡胶面的形状被设置为用来限定剖面流的分布。
本发明的基本原理是根据通量相等的原理,在控制来流流量的情况下,通过调节通道宽度,使得流速改变,达到期望的值。图中左侧为加速情况，以进口宽度L0，出口宽度L1为例，如果来流速度为V，则经过通道后，在出口处流速为VL0/L1。因此，当L1<L0时，实现加速流，反之亦然。
本发明的工作原理为：拖曳水池中池水与结构物模型的以一定的速度u0相对运动，根据通量相等原理，u0A0=u1A1，即u0B0Δz0=u1B1Δz1，可知，通过改变不同水深处水流通道的宽度B来模拟流速随水深按一定规律变化的流场。然而，不同流速处的压力大小不一致，水流沿垂直方向流动会对流速有一定影响。因而，需要采用设计的CFD程序计算得到特定试验条件下的水流通道曲面形状，并换算为各个伸缩杆的伸缩量。橡胶面由于跟伸缩杆接在一起，而且具良好柔韧性，因此通过调整各个伸缩杆的伸缩量，橡胶面可以形成特定试验条件下所需要的曲面。在拖车的牵引下，相对于水体运动的本装置将在结构物周围形成试验所需的特定剖面的流。在试验前应校核不同水深处的流速，保证试验条件准确可靠。
该装置结构简单，功能明确，通过改变水流通道的宽窄改变水流速度，可以精确模拟海洋结构物在剖面流中所受的流载荷，更精确地模拟海洋工程实际。
附图说明
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
图1为本发明结构透视图。
图2为本发明固定支架的结构示意图。
图3为本发明伸缩杆的结构示意图。
图4为本结构主视图。
图5为本发明的原理图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
如图1所示，本实施例包括：固定支架1、导流角2、伸缩杆3、橡胶面4。其中：固定支架1是整个装置的支撑构件，它可用来调整入水口距离，并支撑伸缩杆3；导流角2在固定支架1前端，与固定支架1焊接在一起；伸缩杆3通过改变其伸缩量改变橡胶面4的曲面形状，即改变水流通道的宽度以达到改变流速的目的。
如图2所示，所述的固定支架1包括：基座架和两根悬臂。其中，基座架是所有伸缩杆3的支承面，由16根组合型材构成方形框架，型材相交位置为各个伸缩杆3的支撑点；两个悬臂与基座架焊接，其上端与拖车连接固定。
如图2和图3所示，所述的导流角2固定安装在固定支架1前端，以引导水流。
如图3所示，所述的伸缩杆3支承在基座架上，包括柱帽和螺杆。柱帽为圆形钢质铁片，与螺杆连接在一起，并可以转动；螺杆一端与柱帽连接，中间加工有螺纹，以调整螺杆伸缩量，另一端为六角螺母，可利用套筒扳手调整螺杆伸缩。
如图3和图4所示，所述的橡胶面4由一种柔韧性性和可恢复性较好，强度足够的橡胶材料制成，橡胶面4前后两边铆接在固定支架1的两端。橡胶面4与伸缩杆3的柱帽铆接，在55个柱帽的作用下形成特定试验条件下所需的曲面形状。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种拖曳水池模拟剖面流装置，其特征在于：包括固定支架(1)、导流角(2)、伸缩杆(3)和橡胶面(4)，固定支架(1)与拖车固定连接；导流角(2)、伸缩杆(3)和橡胶面(4)都固定在固定支架(1)上。
2.如权利要求1所述的拖曳水池模拟剖面流装置，其特征在于：其中所述的固定支架(1)包括，基座架和两根悬臂；其中，基座架是所有伸缩杆(3)的支承面，由多根组合型材构成方形框架，组合型材相交位置为各个伸缩杆(3)的支撑点；两个悬臂与基座架焊接，悬臂上端与拖车连接固定。
3.如权利要求1所述的拖曳水池模拟剖面流装置，其特征在于：其中所述的导流角(2)固定在固定支架(1)前端。
4.如权利要求1所述的拖曳水池模拟剖面流装置，其特征在于：其中所述的伸缩杆(3)固定在固定支架(1)上，伸缩杆(3)表面加工有螺纹，通过旋转伸缩杆(3)控制伸缩杆(3)的伸缩量；伸缩杆(3)前端跟橡胶面(4)连接，通过调节伸缩杆(3)的伸缩量使橡胶面(4)达到预期的形状。
5.如权利要求1所述的拖曳水池模拟剖面流装置，其特征在于：其中所述的橡胶面(4)，是固定在固定支架(1)上，并且与伸缩杆(3)相连接；所述的橡胶面(4)外表面光滑，具有良好的伸缩性和变形恢复能力；剖面流的分布情况决定于橡胶面(4)的形状，所述的橡胶面(4)的形状具体是由由多根伸缩杆(3)控制。
6.如权利要求3所述的导流角(2)，其中，所述的导流角被设置为，在拖车行走时将水流分成内外两股，以保证试验段水流的稳定。
7.如权利要求5所述的橡胶面(4)，其中，所述的橡胶面的形状被设置为用来限定剖面流的分布。
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