CN103323210A - 大型海工风洞波浪槽装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型海工风洞波浪槽装置，包括：环形立式风洞、海床土槽和环形波浪水槽，环形立式风洞竖直地设置且具有沿水平方向延伸的上风洞直线段和下风洞直线段，上风洞直线段具有风洞实验段，风洞实验段的下表面敞开。海床土槽的上表面敞开且设在下风洞直线段的上表面上。环形波浪水槽水平地设置且分为直线波浪槽实验段和回流波浪槽段，直线波浪槽实验段设在海床土槽的上表面与上风洞直线段的下表面之间，直线波浪槽实验段的上表面与风洞实验段相对的部分敞开，直线波浪槽实验段的下表面与海床土槽相对的部分敞开。本发明的大型海工风洞波浪槽装置，实现极端波浪、海流载荷和海上风暴作用下典型海洋工程结构与土质海床的多场耦合作用。

Description

大型海工风洞波浪槽装置

技术领域

本发明涉及海工技术领域，尤其是涉及一种大型海工风洞波浪槽装置。

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，例如模拟海上风暴过程、海洋波浪过程、海流过程。现有的波浪水槽仅能够用于水动力学研究，无法同时再现土质海床、波浪、海流和海上风暴过程，不能用于模拟极端波浪、海流载荷和海上风暴作用下典型海洋工程结构与土质海床的多场耦合作用。

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大型海工风洞波浪槽装置，该大型海工风洞波浪槽装置能够同时再现波浪、海流、海上风暴过程，实现极端波浪、海流载荷和海上风暴作用下典型海洋工程结构与土质海床的多场耦合作用，通过高精度流场、土体响应和结构响应测试研究揭示海洋工程结构失稳的物理机制，可为海洋工程地质勘探设计与海洋施工技术突破提供大尺度的试验验证平台。

根据本发明实施例的大型海工风洞波浪槽装置，包括：环形立式风洞，所述环形立式风洞竖直地设置且具有沿水平方向延伸的上风洞直线段和下风洞直线段，所述上风洞直线段具有风洞实验段，所述风洞实验段的下表面敞开；海床土槽，所述海床土槽的上表面敞开，所述海床土槽设在所述下风洞直线段的上表面上；和环形波浪水槽，所述环形波浪水槽水平地设置且分为直线波浪槽实验段和回流波浪槽段，所述直线波浪槽实验段设在所述海床土槽的上表面与所述上风洞直线段的下表面之间，所述直线波浪槽实验段的上表面与所述风洞实验段相对的部分敞开，所述直线波浪槽实验段的下表面与所述海床土槽相对的部分敞开，所述风洞实验段的下表面的外周沿与所述直线波浪槽实验段密封地相接，所述海床土槽的上表面的外周沿与所述直线波浪槽实验段密封地相接。

根据本发明实施例的大型海工风洞波浪槽装置，通过设有连通的环形立式风洞、海床土槽和环形波浪水槽，可同时再现海流、波浪和海上风暴过程，实现极端波浪、海流载荷和海上风暴下典型海洋工程结构与土质海床的多场耦合作用，通过高精度流场、土体响应和结构响应测试研究揭示海洋工程结构失稳的物理机制，可为海洋工程地质勘探设计与海洋施工技术突破提供大尺度的试验验证平台。

另外，根据本发明的大型海工风洞波浪槽装置还具有如下附加技术特征：

在本发明的一些实施例中，所述上风洞直线段和下风洞直线段之间的两个风洞连接段与所述上风洞直线段和下风洞直线段之间分别圆弧过渡。从而不仅便于环形立式风洞的加工成型，且可提高环形立式风洞的外观美观性，同时可减少环形立式风洞内的风暴的能量损失，保证模拟的风暴过程逼真。

可选地，所述两个风洞连接段为直线形或圆弧形。

在本发明的一些实施例中，所述回流波浪槽段具有与所述直线波浪槽实验段平行且相对的回流直线波浪槽实验段。从而可提高该大型海工风洞波浪槽装置的适用性。

具体地，所述环形波浪水槽为跑道形状。

根据本发明的一些实施例，所述海床土槽的外壁、所述上风洞直线段的下表面、所述下风洞直线段的上表面、所述上风洞直线段与下风洞直线段之间的风洞连接段以及所述直线波浪槽实验段围成的空间内设有混凝土支撑结构。从而可提高大型海工风洞波浪槽装置的结构强度。

在本发明的一些实施例中，所述风洞实验段的上表面设有透明视窗。从而便于操作人员进行观察。

在本发明的一些实施例中，所述环形立式风洞和所述环形波浪水槽具有矩形横截面。

优选地，所述矩形横截面的四个角圆弧过渡。

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大型海工风洞波浪槽装置的立体图；

图2为图1所示的大型海工风洞波浪槽装置的俯视图；

图3为图1所示的大型海工风洞波浪槽装置的剖面图。

附图标记：

大型海工风洞波浪槽装置100、环形立式风洞1、

上风洞直线段10、风洞试验段101、下风洞直线段11、

风洞连接段12、海床土槽2、环形波浪水槽3、

直线波浪槽实验段30、回流波浪槽段31、

回流直线波浪槽实验段311、混凝土支撑结构4、

透明视窗5、海工结构6、土质海床7

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。

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3描述根据本发明实施例的一种大型海工风洞波浪槽装置100。

根据本发明实施例的大型海工风洞波浪槽装置100，如图1-图3所示，包括：环形立式风洞1、海床土槽2和环形波浪水槽3，其中，环形立式风洞1竖直地设置且具有沿水平方向延伸的上风洞直线段10和下风洞直线段11，上风洞直线段10具有风洞实验段101，风洞实验段101的下表面敞开，也就是说，环形立式风洞1包括上风洞直线段10、下风洞直线段11和连接在上风洞直线段10和下风洞直线段11之间的两个风洞连接段12，上风洞直线段10、下风洞直线段11和两个风洞连接段12构造成环形的风洞，其中值得说明的是，环形立式风洞1与风洞造风机相连，启动风洞造风机时可在环形立式风洞1内模拟风暴过程。

海床土槽2的上表面敞开，海床土槽2设在下风洞直线段11的下表面上，其中，如图3所示，海床土槽2内可盛放有土质海床7，用于模拟不同深度的砂质或淤泥质海床地基。

环形波浪水槽3水平地设置且分为直线波浪槽实验段30和回流波浪槽段31，直线波浪槽实验段30设在海床土槽2的上表面与上风洞直线段10的下表面之间，直线波浪槽实验段30的上表面与风洞实验段101相对的部分敞开，直线波浪槽实验段30的下表面与海床土槽2相对的部分敞开，也就是说，环形立式风洞1、海床土槽2和环形波浪水槽3连通。风洞实验段101的下表面的外周沿与直线波浪槽实验段30密封地相接，海床土槽2的上表面的外周沿与直线波浪槽实验段30密封地相接，从而可保证该大型海工风洞波浪槽装置100的密封性和可靠性。

其中，值得说明的是，该环形波浪水槽3与造波造流机和供水装置相连，该供水装置向环形波浪水槽3内提供水源，造波造流机可设在环形波浪水槽3内，启动造波造流机时可在环形波浪水槽3内模拟波浪过程和海流过程，可选地，该造波造流机可为推板式造波造流机。

具体地，如图3所示，海床土槽2内的土质海床7上设有海工结构6，该海工结构6位于直线波浪槽实验段30和风洞实验段101内，当同时启动造波造流机和风洞造风机时，环形立式风洞1内模拟风暴过程，环形波浪水槽3内模拟波浪过程和海流工程，从而可实现波浪、海流和风暴过程的耦合，实现波浪、海流、风暴、海工结构6、土质海床7的动力相互作用，即可用于模拟海洋流体、海工结构6和土质海床7三者之间的动力相互作用。其中，值得理解的是，该大型海工风洞波浪槽装置100还包括测试系统等以对模拟的海洋流体、海工结构6和土质海床7三者之间的动力相互作用的结果进行测试。

根据本发明实施例的大型海工风洞波浪槽装置100，通过设有连通的环形立式风洞1、海床土槽2和环形波浪水槽3，可同时再现海流、波浪和海上风暴过程，实现极端波浪、海流载荷和海上风暴下典型海洋工程结构（即海工结构6）与土质海床7的多场耦合作用，通过高精度流场、土体响应和结构响应测试研究揭示海洋工程结构失稳的物理机制，可为海洋工程地质勘探设计与海洋施工技术突破提供大尺度的试验验证平台。

在本发明的一些实施例中，如图1-图3所示，上风洞直线段10和下风洞直线段11之间的两个风洞连接段12与上风洞直线段10和下风洞直线段11之间分别为圆弧过渡，也就是说，每个风洞连接段12与上风洞直线段10和下风洞直线段11之间分别为圆弧过渡，从而不仅便于环形立式风洞1的加工成型，且可提高环形立式风洞1的外观美观性，同时可减少环形立式风洞1内的风暴的能量损失，保证模拟的风暴过程逼真。可选地，两个风洞连接段12为直线形或圆弧形。

在本发明的一些实施例中，如图1和图2所示，回流波浪槽段31具有与直线波浪槽实验段30平行且相对的回流直线波浪槽实验段311，此时，可在该回流直线波浪槽实验段311内设有海工结构6以模拟海工机构-海流的相互作用，或可在回流直线波浪槽实验段311内同时设有海工结构6和土质海床7等，以模拟海流-海工结构-土质海床的相互作用，从而可提高该大型海工风洞波浪槽装置100的适用性。具体地，如图1和图2所示，该环形波浪水槽3为跑道形状。

如图3所示，根据本发明的一些实施例，海床土槽2的外壁、上风洞直线段10的下表面、下风洞直线段11的上表面、上风洞直线段10与下风洞直线段11之间的风洞连接段12以及直线波浪槽实验段30围成的空间内设有混凝土支撑结构4。从而可提高大型海工风洞波浪槽装置100的结构强度。

其中，为了便于操作人员观察大型海工风洞波浪槽装置100内的风暴、波浪和海流的模拟过程，便于当大型海工风洞波浪槽装置100内出现问题时及时发现问题，在本发明的一些实施例中，如图1和图2所示，风洞实验段101的上表面设有透明视窗5。

在本发明的一些实施例中，如图1-图3所示，环形立式风洞1和环形波浪水槽3具有矩形横截面，进一步地，矩形横截面的四个角圆弧过渡，从而提高环形立式风洞1和环形波浪水槽3的外观美观性。

根据本发明实施例的大型海工风洞波浪槽装置100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）海洋流体-海工结构-土质海床的共同作用问题。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。旨在研究和解决四大类重大海洋工程关键技术问题：1）海洋环境下流体-海工结构-土质海床三者之间的共同工作原理及安全调控技术。2）海洋自然灾害及工程风险控制技术。3）海底勘探与测试仪器设备开发及测评控调技术。4）大型海工结构系统设计方案比选和优化，为海洋能源开发技术以及各种海洋工程施工与运行关键技术的创新与突破提供一个高水平的物理模拟平台。

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 (9)

1.一种大型海工风洞波浪槽装置，其特征在于，包括：

环形立式风洞，所述环形立式风洞竖直地设置且具有沿水平方向延伸的上风洞直线段和下风洞直线段，所述上风洞直线段具有风洞实验段，所述风洞实验段的下表面敞开；

海床土槽，所述海床土槽的上表面敞开，所述海床土槽设在所述下风洞直线段的上表面上；和

环形波浪水槽，所述环形波浪水槽水平地设置且分为直线波浪槽实验段和回流波浪槽段，所述直线波浪槽实验段设在所述海床土槽的上表面与所述上风洞直线段的下表面之间，所述直线波浪槽实验段的上表面与所述风洞实验段相对的部分敞开，所述直线波浪槽实验段的下表面与所述海床土槽相对的部分敞开，所述风洞实验段的下表面的外周沿与所述直线波浪槽实验段密封地相接，所述海床土槽的上表面的外周沿与所述直线波浪槽实验段密封地相接。

2.根据权利要求1所述的大型海工风洞波浪槽装置，其特征在于，所述上风洞直线段和下风洞直线段之间的两个风洞连接段与所述上风洞直线段和下风洞直线段之间分别圆弧过渡。

3.根据权利要求2所述的大型海工风洞波浪槽装置，其特征在于，所述两个风洞连接段为直线形或圆弧形。

4.根据权利要求1所述的大型海工风洞波浪槽装置，其特征在于，所述回流波浪槽段具有与所述直线波浪槽实验段平行且相对的回流直线波浪槽实验段。

5.根据权利要求4所述的大型海工风洞波浪槽装置，其特征在于，所述环形波浪水槽为跑道形状。

6.根据权利要求1所述的大型海工风洞波浪槽装置，其特征在于，所述海床土槽的外壁、所述上风洞直线段的下表面、所述下风洞直线段的上表面、所述上风洞直线段与下风洞直线段之间的风洞连接段以及所述直线波浪槽实验段围成的空间内设有混凝土支撑结构。

7.根据权利要求1所述的大型海工风洞波浪槽装置，其特征在于，所述风洞实验段的上表面设有透明视窗。

8.根据权利要求1所述的大型海工风洞波浪槽装置，其特征在于，所述环形立式风洞和所述环形波浪水槽具有矩形横截面。

9.根据权利要求8所述的大型海工风洞波浪槽装置，其特征在于，所述矩形横截面的四个角圆弧过渡。

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