CN103267624B - 用于巨型海工离心机的超重力场造波装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于巨型海工离心机的超重力场造波装置，包括：海工吊篮模型箱和造波机，海工吊篮模型箱为圆弧形，海工吊篮模型箱内具有槽腔，海工吊篮模型箱的第一端和第二端的端面上分别设有进水口和出水口，海工吊篮模型箱沿从第一端到第二端的长度方向分为第一段、第二段和位于第一段和第二段中间且用于放置海工结构的中间段，第二段内设有邻近第二端的消能结构，中间段的底壁向外突出以形成凹槽，凹槽内和槽腔的底面上设有土质海床，槽腔内填充有水。造波机设在第一段内且邻近进水口，用于在槽腔内产生波浪。本发明的超重力场造波装置能够在超重力场下再现海洋波浪过程，模拟海洋环境下海洋波浪-海工结构-土质海床的相互作用。

Description

用于巨型海工离心机的超重力场造波装置

技术领域

本发明涉及巨型海工离心机技术领域，尤其是涉及一种用于巨型海工离心机的超重力场造波装置。

背景技术

为了发展海洋经济、开发海洋资源、保障海上安全，需要模拟海洋典型载荷环境，例如模拟海洋波浪过程。传统的土工离心机由于设计原理和结构形式使得模型中离心加速度分布误差大，模型的边界条件不正确，无法用于模拟还工结构所处的复杂的海洋环境。尤其是，目前还没有能够在超重力场下模拟复杂海洋环境如海洋波浪过程的海工离心机。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种用于巨型海工离心机的超重力场造波装置，该超重力场造波装置能够在超重力场下再现海洋波浪过程，模拟海洋环境下海洋波浪-海工结构-土质海床的相互作用，且模拟的海洋波浪过程逼真，结果精确，为海洋工程设计和施工技术突破提供高水平的实验平台。

根据本发明实施例的用于巨型海工离心机的超重力场造波装置，包括：海工吊篮模型箱，所述海工吊篮模型箱为圆弧形，所述海工吊篮模型箱内具有槽腔，所述海工吊篮模型箱的第一端的端面上设有进水口，所述海工吊篮模型箱的第二端的端面上设有出水口，所述海工吊篮模型箱沿从所述第一端到所述第二端的长度方向分为第一段、第二段和位于所述第一段和第二段中间且用于放置海工结构的中间段，所述第二段内设有邻近所述第二端的消能结构，所述中间段的底壁向外突出以形成凹槽，所述凹槽内和所述槽腔的底面上设有土质海床，所述槽腔内填充有水；和造波机，所述造波机设在所述第一段内且邻近所述进水口，用于在所述槽腔内产生波浪。

根据本发明实施例的用于巨型海工离心机的超重力场造波装置，通过使得海工吊篮模型箱形成为圆弧形，在巨型海工离心机旋转的过程中可在海工吊篮模型箱中产生分布均匀合理的超重力场，在超重力场的作用下，可通过造波机再现海洋波浪过程，模拟海洋环境下海洋波浪-海工结构-土质海床的相互作用，且模拟的海洋波浪过程逼真，结果精确，为海洋工程设计和施工技术突破提供高水平的实验平台。

另外，根据本发明上述实施例的用于巨型海工离心机的超重力场造波装置还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一些实施例，所述槽腔的底壁内设有出水通道，所述出水通道具有进口和出口，所述出水通道的进口与所述出水口相连，所述出水通道的出口形成在所述凹槽的底壁的外表面上。从而便于排出槽腔内的水。

可选地，所述出水通道的出口位于所述凹槽的底壁的中心位置。

进一步地，所述第一段和第二段的周长相同且相对于所述中间段彼此对称。从而可进一步保证模拟的海洋波浪过程逼真，结果精确。

更进一步地，所述凹槽的底壁为平的。从而进一步保证超重力场在海工吊篮模型箱内分布合理均匀。

在本发明的一些实施例中，所述海工吊篮模型箱具有矩形横截面。从而进一步保证超重力场在海工吊篮模型箱内分布合理均匀。

具体地，所述海工吊篮模型箱的中间段的顶壁上设有顶部开口，所述顶部开口由盖板封闭。从而便于操作人员往槽腔内盛放土质海床和海工结构。

可选地，所述消能结构为斜坡。从而该消能结构结构简单可靠。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的用于巨型海工离心机的超重力场造波装置的示意图；

图2为装配有图1所示的超重力场造波装置的巨型海工离心机处于未运行状态时的示意图；

图3为装配有图1所示的超重力场造波装置的巨型海工离心机处于运行状态时的示意图；

图4为装配有图1所示的超重力场造波装置的巨型海工离心机设在离心机室内且处于运行状态时的示意图；

图5为图4所示的巨型海工离心机设在离心机室内时且处于运行状态时的剖面图；

图6为图5中供水组件的局部放大示意图。

附图标记：

巨型海工离心机10000、机架100、转轴101、转臂200、第一海工吊篮300、第二海工吊篮400、海工吊篮模型箱401、槽腔4011、进水口4014、第一段4016、第二段4018、消能结构4019、中间段4017、凹槽4020、盖板4022、出水通道4023、进口40231、出口40232、海工结构1300、土质海床700、水1200、造波机1100、供水组件500、环形水箱501、环形上开口5011、水箱出水口5012、第一供水管502、第二供水管503、离心机室1700、环形集水槽1701、集水口1702、集水池1800、沉砂池1900、回流管路2000、水泵2100

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面参考图1-图6描述根据本发明实施例的一种用于巨型海工离心机的超重力场造波装置。其中，在本发明中，超重力场指的是在巨型海工离心机运行时的离心加速度场，由于此时离心加速度场为重力加速度场的N倍，因此称为超重力场。

如图2和图3所示，巨型海工离心机10000包括机架100、转臂200、第一海工吊篮300和第二海工吊篮400，转臂200可旋转地安装在机架100的转轴101上，第一海工吊篮300可上下摆动地连接在转臂200的第一端（如图3所示的左端）上，第二海工吊篮400可上下摆动地连接在转臂200的第二端（如图3所示的右端）上，第一海工吊篮300可用来模拟海洋环境，第二海工吊篮400包括超重力场造波装置内的海工吊篮模型箱401。

具体地，如图2所示，在重力的作用下，第一海工吊篮300和第二海工吊篮400呈下垂状态，如图3所示，当转臂200旋转加速直至产生N倍的离心加速度（Ng）时，第一海工吊篮300和第二海工吊篮400呈水平状态，此时第一海工吊篮300和第二海工吊篮400由于离心力的作用均位于超重力场下。更具体地，海工吊篮模型箱401的圆心角的范围为60-90度，N=50-150，即最大离心加速度可为150g，海工吊篮模型箱401从第一端到第二端的弧长的范围为500-1500米，转臂200的转动半径的范围可为7.0m-9.0m，其中g代表重力加速度。

根据本发明实施例的用于巨型海工离心机的超重力场造波装置，如图1所示，包括：海工吊篮模型箱401和造波机1100，其中，海工吊篮模型箱401为圆弧形，海工吊篮模型箱401内具有槽腔4011，海工吊篮模型箱401的第一端（如图1中所示的左端）的端面上设有进水口4014，海工吊篮模型箱401的第二端（如图1中所示的右端）的端面上设有出水口，从进水口4014进入到槽腔4011内的水1200从出水口排出以产生大量的水流循环从而实现造波的目的和满足造波时产生的水量流失。其中，值得理解的是，超重力场造波装置还包括分别与进水口4014相连的供水组件500，该供水组件500可通过进水口4014向槽腔4011内供水，且值得说明的是，该供水组件500可为任何装置，只要可满足在超重力场下向槽腔4011内供水即可。

海工吊篮模型箱401沿从第一端到第二端的长度方向分为第一段4016、第二段4018和位于第一段4016和第二段4018中间且用于放置海工结构1300的中间段4017，第二段4018内设有邻近第二端的消能结构4019，可选地，消能结构4019为斜坡。中间段4017的底壁向外突出以形成凹槽4020，凹槽4020内和槽腔4011的底面上设有土质海床700，也就是说，第一段4016的底面上放置有长度与第一段4016的周长相同的土质海床700，第二段4018的底面上放置有长度与第二段4018的周长相同的土质海床700，凹槽4020内放置有土质海床700，且凹槽4020内的土质海床700的顶面与第一段4016和第二段4018上的土质海床700的顶面平齐。槽腔4011内填充有水1200。

造波机1100设在第一段4016内且邻近进水口4014，用于在槽腔4011内产生波浪，在本发明的一些实施例中，造波机1100为推板式造波机，且造波机1100可采用主动控制造波系统，有效消除结构物的回波反射效应，造波机1100中的伺服控制系统通过集成显示终端设置驱动器参数为交流伺服电机提供驱动信号，基于ISA/PCI总线能够精确地控制所发出的脉冲频率、脉冲个数及频率变化率，能够满足全数字伺服电机的各种复杂控制要求，同时造波机1100控制软件采用高精度时间函数实现精确控制，从而实现吸收式造波的闭环控制。

具体地，第一段4016为造波流段，中间段4017为中部试验段，第二段4018为消能段，第一段4016由造波机1100产生规则波浪、任意波谱的随机波浪、海啸孤立波、椭圆余弦浅水波等波浪运动，采用吸收式造波闭环控制，中间段4017的凹槽4020中设有土质海床700，用于模拟不同深度的砂质或淤泥质海床地基，地基中可布置海上风机、海洋平台、海上浮式结构等海工结构，从而在海工吊篮模型箱401处于超重力场下，造波机1100在第一段4016上产生波浪运动，该波浪从第一段4016传递到中间段4017，此时可通过设置在中间段4017的海工结构1300模拟海洋波浪-海工机构-海床的相互作用，最后波浪经第二段4018内的消能结构消能后从出水口排出。值得理解的是，本发明的超重力场造波装置还包括测试系统等以对模拟的海洋波浪-海工结构-土质海床的相互作用的结果进行测试。

根据本发明实施例的用于巨型海工离心机的超重力场造波装置，通过使得海工吊篮模型箱401形成为圆弧形，在巨型海工离心机旋转的过程中可在海工吊篮模型箱401中产生分布均匀合理的超重力场，在超重力场的作用下，可通过造波机1100再现海洋波浪过程，模拟海洋环境下海洋波浪-海工结构-土质海床的相互作用，且模拟的海洋波浪过程逼真，结果精确，为海洋工程设计和施工技术突破提供高水平的实验平台。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，槽腔4011的底壁内设有出水通道4023，出水通道4023具有进口40231和出口40232，出水通道4023的进口40231与出水口相连，出水通道4023的出口40232形成在凹槽4020的底壁的外表面上，此时，从进水口4014进入到槽腔4011内的水流通过出水口进入到出水通道4023内，并流经整个出水通道4023后从出水通道4023的出口40232排出槽腔4011。可选地，如图1所示，出水通道4023的出口40232位于凹槽4020的底壁的中心位置。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，第一段4016和第二段4018的周长相同且相对于中间段4017彼此对称，从而可进一步保证模拟的海洋波浪过程逼真、结果精确。进一步地，凹槽4020的底壁为平的，从而可便于海工吊篮模型箱401的加工成型，进一步保证超重力场在海工吊篮模型箱401内分布合理均匀。如图2所示，在本发明的一些示例中，海工吊篮模型箱401具有矩形横截面，从而进一步保证离心加速度场在海工吊篮模型箱401上分布均匀。

为了便于向海工吊篮模型箱401内放置土质海床700和海工结构1300，在本发明的一些实施例中，如图1所示，海工吊篮模型箱401的中间段4017的顶壁上设有顶部开口，顶部开口由盖板4022密封。

如图4-图6所示，根据本发明的一些实施例，供水组件500包括环形水箱501、第一供水管502和第二供水管503，其中，环形水箱501可旋转地安装在转轴101上，环形水箱501设有环形上开口5011和水箱出水口5012。第一供水管502的第一端与水箱出水口5012相连，第一供水管502的第二端与进水口4014相连。第二供水管503的第一端与水源相连，第二供水管503的第二端设在环形上开口5011的上方且与环形上开口5011相对。此时，从水源排出的水1200进入到第二供水管503内，并从第二供水管503经过环形上开口5011进入到环形水箱501内，接着水流借助转轴101转动的离心力从水箱出水口5012排入到第一供水管502内，并从第一供水管502经过进水口4014进入到槽腔4011内。根据本发明实施例的供水组件500结构简单可靠，保证从水源排出的水1200可进入到槽腔4011内。

具体地，如图4和图5所示，第二供水管503上设有水泵2100，巨型海工离心机10000设在离心机室1700内，离心机室1700的内壁上设有环形集水槽1701，在巨型离心机1000旋转时环形集水槽1701与出水通道4023的出口40232相对，环形集水槽1701与集水池1800相连，集水池1800的下方设有用作水源的沉砂池1900，沉砂池1900与集水池1800连通。更具体地，离心机室1700的内壁上设有沿厚度方向贯穿其且与环形集水槽1701连通的集水口1702，该集水口1702通过回流管道2000与集水池1800连通，当超重力场造流装置受到超重力场作用，即海工吊篮模型箱401处于水平状态且绕转轴101转动，此时从槽腔4011排出的水流会在离心力的作用下排入环形集水槽1701内，环形集水槽1701内的水流经集水口1702和回流管道2000汇聚在集水池1800内，然后经过沉砂池1900过滤，过滤后的清水经水泵2100返回到环形水箱501内以完成水流的循环。

根据本发明实施例的用于巨型海工离心机的超重力场造波装置主要用于模拟海洋环境下各海工结构与海床系统的多相、多尺寸、多过程物理力学行为和动力相互作用，主要瞄准三大类迫切需要解决的重大海洋工程科学问题：1）海洋波浪-海工结构-土质海床的共同工作问题；2）海洋自然灾害及工程风险问题；3）海底勘探方法验证和岩土工程评价问题。旨在实现四大重大科学目标：1）再现海洋环境下海工结构-土质海床的动力学行为；2）揭示海工结构灾变规律；3）建立海洋波浪-海工结构-土质海床相互作用理论；4）对比大型海工结构系统设计方案，为海洋工程设计、施工技术突破提供高水平的试验验证平台。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种用于巨型海工离心机的超重力场造波装置，其特征在于，包括：

海工吊篮模型箱，所述海工吊篮模型箱为圆弧形，所述海工吊篮模型箱内具有槽腔，所述海工吊篮模型箱的第一端的端面上设有进水口，所述海工吊篮模型箱的第二端的端面上设有出水口，所述海工吊篮模型箱沿从所述第一端到所述第二端的长度方向分为第一段、第二段和位于所述第一段和第二段中间且用于放置海工结构的中间段，所述第二段内设有邻近所述第二端的消能结构，所述中间段的底壁向外突出以形成凹槽，所述凹槽内和所述槽腔的底面上设有土质海床，所述槽腔内填充有水；和

造波机，所述造波机设在所述第一段内且邻近所述进水口，用于在所述槽腔内产生波浪；

所述槽腔的底壁内设有出水通道，所述出水通道具有进口和出口，所述出水通道的进口与所述出水口相连，所述出水通道的出口形成在所述凹槽的底壁的外表面上。

2.根据权利要求1所述的用于巨型海工离心机的超重力场造波装置，其特征在于，所述出水通道的出口位于所述凹槽的底壁的中心位置。

3.根据权利要求2所述的用于巨型海工离心机的超重力场造波装置，其特征在于，所述第一段和第二段的周长相同且相对于所述中间段彼此对称。

4.根据权利要求3所述的用于巨型海工离心机的超重力场造波装置，其特征在于，所述凹槽的底壁为平的。

5.根据权利要求1所述的用于巨型海工离心机的超重力场造波装置，其特征在于，所述海工吊篮模型箱具有矩形横截面。

6.根据权利要求1所述的用于巨型海工离心机的超重力场造波装置，其特征在于，所述海工吊篮模型箱的中间段的顶壁上设有顶部开口，所述顶部开口由盖板封闭。

7.根据权利要求1所述的用于巨型海工离心机的超重力场造波装置，其特征在于，所述消能结构为斜坡。