CN103344411A - 一种中浅水同向波流制造方法及实验水槽 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中浅水同向波流制造方法及实验水槽，其特征在于：在水库两端开有对称折向水槽的分流通道，水槽一端由三角固定支架固定于地面，另一端由升降器来支撑，通过调节升降器的升降高度可实现水槽坡度的改变；水槽前端安装有造波板，造波板与造波机相连接，水槽尾端开有侧流通道以及用于消波的固定坡、弧形起降板及消波装置，水槽的侧流通道末端与落水管相连，经汇集管连接至储水箱，储水箱与供水管相连接，供水管末端垂向伸入水库，经水泵的作用实现向水库供水。本发明不仅能够单独实现造波造流，而且还能够实现波流同造，能够满足结构物受波流同时作用下载荷响应的实验研究和教学需要。

Description

一种中浅水同向波流制造方法及实验水槽

技术领域

本发明涉及港口、海岸及近海工程试验研究领域，具体涉及一种中浅水同向波流制造方法及实验水槽。

背景技术

21世纪是海洋的世纪，随着社会的高速发展，各国对能源的需求与日俱增。大力开采开发海洋油气已成为必然趋势，我国管辖海域内的油气资源十分丰富，特别是我国的南海，被誉为第二个“波斯湾”。近年来，为大力开发海洋资源，在近海海域修建了很多采油平台、钻井平台和铺设了大量的海底石油管线。近岸波浪是近岸海洋环境中最重要的动力因素之一，波浪向浅海传播过程中在海底地形、障碍物和水流等多种因素的影响下，将发生浅水变形、折射、绕射、反射、能量耗散及破碎等一系列复杂现象。尤其近岸波浪，是引起海洋污染物运移、海岸变迁和近岸水体交换的关键因素，直接关系到近岸工程建筑物的安全。另外海流也会对钻井隔水管、采油立管和系泊缆产生较大的诱导载荷，还会对海洋结构物的低频运动产生影响，特别是引发涡激振动，加速海洋结构物的疲劳破坏。因此，开展对结构物在波浪和海流作用下的实验研究非常必要。目前，能够造波、造流的装置主要有申请号为201010101913.4的一种规则波生成研究和教学用水槽，主要包括造波控制部分、波浪参数采集与分析处理部分和水槽结构，侧重于生成规则波；申请号为201010103635.6的旋转百叶门重力式内孤立波造波机，该装置适用于横向宽、垂向深的大型水槽内密度分层海洋中的大振幅内孤立波，针对的是生成海洋内孤立波；申请号为201120060588.1的一种双板式内孤立波造波装置，也是侧重于海洋内孤立波的生成；申请号为200810147663.0的多相流实验水槽，该装置主要针对水库泥沙异重流问题和污染物迁移扩散问题，侧重于渠道内多相流流动。

上述实验装置只能单独造波或造流，而实际海洋环境波流同时存在，因此，为了更加贴近真实的海洋环境，亟需要设计一套既可以单独造波，也可以单独造流，还可以同时造波流的多功能实验水槽，供教学和研究使用。

发明内容

针对上述问题，本发明提供一种中浅水同向波流制造方法及实验水槽，为研究结构物同时受到波、流作用的载荷响应提供实验平台。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种中浅水同向波流实验水槽，由水槽、承载钢梁、水库、分流通道、入流整流板、分流整流板、导流装置、入口闸门、造波机、造波板、出口闸门、侧流通道、尾部闸门、固定坡、弧形起降板、消波装置、尾部落水管、出口左落水管、出口右落水管、阀门、汇集管、储水箱、水泵、电磁流量计、供水管、水位测针、三角固定支架、升降器、横向滑轨、侧向滑轨、角度标尺和水深标尺组成。在水库两端开有对称折向水槽的分流通道，并在靠近供水管的出水口两侧对称位置安置入流整流板，在两侧翼的分流通道的入水口分别安装分流整流板，在分流通道靠近水槽处装有导流装置，水库还配有水位测针；水槽为钢制承载结构，槽壁为钢化玻璃，水槽一端由三角固定支架固定于地面，另一端由升降器来支撑；水槽前端安装有造波板，造波板与造波机相连接，水槽尾端开有侧流通道以及用于消波的固定坡、弧形起降板及消波装置，对应位置的水槽壁贴有角度标尺；消波装置为一整体结构，可进行更换；在水库的分流通道与水槽相接的位置安装有入口闸门，水槽尾端与侧流通道相接处安装有出口闸门，在固定坡前端安装有尾部闸门；水槽两边缘上方安装有两根横向滑轨和两根纵向滑轨；水槽侧壁贴有水深标尺；水槽的侧流通道末端连接出口左落水管和出口右落水管，落水管为可伸缩式；然后通过汇集管连接至储水箱；在安置消波装置的正下方水槽上开有圆形开口，与尾部落水管相连接，尾部落水管上安装有阀门，同样连至汇集管并通向储水箱；储水箱与供水管相连接，中间安装水泵，且水泵的出口处安装电磁流量计，供水管末端垂向伸入水库。

一种中浅水同向波流制造方法，实验水槽安装完成后，在储水箱中装满水，关闭尾部闸门，关闭尾部落水管上的阀门，开启入口闸门和出口闸门；开启水泵，水泵通过供水管从储水箱吸水向水库供水，通过调节入口闸门的开度来调节水库的液面高度，水库液面高度可由水位测针测得；通过调节出口闸门的开度来调节水槽液面的高度，水槽液面高度可由水深标尺测得；通过调节导流装置的导流板角度可以改变水流进入水槽的流向；水流流至水槽末端后，通过两侧侧流通道的出口左落水管和出口右落水管流入汇集管，经由汇集管流入储水箱；当水库的液面和水槽内的液面达到稳定的高度后，开启尾部闸门，并在水槽尾端安装消波装置；待水槽内的液面恢复稳定后，启动造波机，造波机推动造波板向前运动实现造波，通过控制造波机的推动频率及速度可生成规则波和不规则波；此时，即实现了水槽内波浪和海流的同时制造。

上述技术方案中，所述的分流通道出口宽度为水槽宽度的0.1~0.3倍，分流通道与水槽之间的角度在10°~30°之间。

上述技术方案中，所述的弧形起降板的末端与钢丝绳连接，将钢丝绳固定在水槽壁的旋转轴上。

上述技术方案中，可通过调节尾部弧形起降板与水槽底面的夹角可以改变其迎流坡度，从而达到更佳的消波效果。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点及积极效果：

1、本发明能够模拟波浪和海流同时存在的海洋环境，还可以模拟波浪、海流单独存在时的海洋环境；

2、本实验水槽整体为一循环通道，水槽中的水能够循环使用，节约实验用水，节省实验成本；

3、本实验水槽可通过调节升降器的高度来实现水槽坡度的改变，能够对不同坡度的工况进行模拟；

4、本实验水槽的导流装置为可调式，通过改变导流板的角度可实现水流方向的调整；

5、本实验水槽主体为钢架结构，槽壁为透明钢化玻璃，便于观察槽内待测物体周围流场变化；

6、本实验水槽配有横向滑轨和侧向滑轨，可便于安装相应实验待测物和测试仪器；

7、本实验水槽的消波装置可整体更换，以实现不同消波装置的综合对比来评价其消波效果。

附图说明

图1为本发明的整体结构侧视图

图2为本发明的整体结构俯视图

图3为本发明水库内部结构示意图

图4为本发明导流装置结构示意图

图5为本发明汇集管与落水管连接示意图

图6为本发明整流板结构示意图

图7为本发明固定坡和弧形起降板的结构示意图

其中：1.水槽；2、承载钢梁；3.水库；4.分流通道；5.入流整流板；6.分流整流板；7.导流装置；8.入口闸门；9.造波机；10.造波板；11.出口闸门；12.侧流通道；13.尾部闸门；14.固定坡；15.弧形起降板；16.消波装置；17.尾部落水管；18.出口左落水管；19.出口右落水管；20.阀门；21.汇集管；22储水箱；23.水泵；24.电磁流量计；25.供水管；26.水位测针；27.三角固定支架；28.升降器；29.横向滑轨；30.侧向滑轨；31.角度标尺；32.水深标尺。

具体实施方式                                                                             

下面结合附图及实施例，对本发明的具体实施作进一步描述：

从图1、图2、图3可以看出，其中水库3为一长方体结构，在水库3两端开有对称折向水槽1的分流通道4，并在靠近供水管25的出水口两侧对称位置安置入流整流板5，在两侧翼的分流通道4的入水口分别安装分流整流板6（见图6），入流整流板5和分流整流板6均为圆孔交错并排分布的挡板，水流通过整流板的整流作用会使得流动更加平稳；在分流通道4靠近水槽1处装有导流装置7，导流装置7由多个导流板组成，通过调节旋转把手从而改变导流板的角度，使得流入方向与水槽1壁面的角度尽可能小，入流更加平稳；水库3还配有水位测针26用于测量液面高度，水位测针26通过上方旋转把手进行高度调节。

水槽1为钢制承载结构，槽壁为钢化玻璃，水槽1一端由三角固定支架27固定于地面，另一端由升降器28来支撑，通过调节升降器28的升降高度可实现水槽1坡度的改变；水槽1前端安装有造波板10，造波板10与造波机9相连接，水槽1尾端开有侧流通道12以及用于消波的固定坡14、弧形起降板15及消波装置16，对应位置的水槽1壁面贴有角度标尺31用于读取弧形起降板15与水槽1底面的夹角；消波装置16为一整体结构，可进行更换；在水库3的分流通道4与水槽1相接的位置安装有入口闸门8，水槽1尾端与侧流通道12相接处安装有出口闸门11，在固定坡14前端安装有尾部闸门13；水槽1两边缘上方安装有两根横向滑轨29和两根纵向滑轨30，水槽1侧壁贴有水深标尺32用于测量槽内水面高度。

从图5可以看出，水槽1的侧流通道12末端连接出口左落水管18和出口右落水管19，落水管为可伸缩式；然后通过汇集管21连接至储水箱22；在安置消波装置16的正下方水槽1上开有圆形开口，与尾部落水管17相连接，尾部落水管17上安装有阀门20，同样连至汇集管21并通向储水箱22；储水箱22与供水管25相连接，中间安装水泵23，且水泵23的出口处安装电磁流量计24；供水管25末端垂向伸入水库3，实现供水。

一种中浅水同向波流制造方法，实验水槽1安装完成后，在储水箱22中装满水，关闭尾部闸门13，关闭尾部落水管17上的阀门20，开启入口闸门8和出口闸门11；开启水泵23，水泵23通过供水管25从储水箱22吸水向水库3供水，通过调节入口闸门8的开度来调节水库3的液面高度，水库3液面高度可由水位测针26测得；通过调节出口闸门11的开度来调节水槽1液面的高度，水槽1液面高度可由水深标尺32测得；通过调节导流装置7的导流板角度可以改变水流进入水槽1的流向，使得流入方向与水槽1壁面的角度尽可能小，入流更加平稳；水流流至水槽1末端后，通过两侧侧流通道12的出口左落水管18和出口右落水管19流入汇集管21，经由汇集管21流入储水箱22；当水库3的液面和水槽1内的液面达到稳定的高度后，开启尾部闸门13，并在水槽1尾端安装消波装置16；待水槽1内的液面恢复稳定后，启动造波机9，造波机9推动造波板10向前运动实现造波，通过控制造波机9的推动频率及速度可生成规则波和不规则波；此时，即实现了水槽1内波浪和海流的同时制造。

一种中浅水造波方法，实验水槽1安装完成后，在储水箱22中装满水，关闭侧流通道12的出口闸门11和尾部落水管17上的阀门20，开启分流通道4的入口闸门8和尾部闸门13，并在水槽1尾端安装消波装置16；开启水泵23，水泵23通过供水管25从储水箱22吸水向水库3供水，通过水深标尺32观察水槽1内水深的变化，当水槽1内的液面高度达到预定高度时，关闭入口闸门8和水泵23；启动造波机9，造波机9推动造波板10向前运动实现造波，通过控制造波机9的推动频率及速度可生成规则波和不规则波。

一种中浅水造流方法，实验水槽1安装完成后，在储水箱22中装满水，关闭尾部闸门13，开启入口闸门8和出口闸门11；开启水泵23，水泵23通过供水管25从储水箱22吸水向水库3供水，通过调节入口闸门8的开度来调节水库3的液面高度，水库3液面高度可由水位测针26测得；通过调节出口闸门11的开度来调节水槽1液面的高度，水槽1液面高度可由水深标尺32测得；通过调节导流装置7的导流板角度可以改变水流进入水槽1的流向，使得流入方向与水槽1壁面的角度尽可能小，入流更加平稳；水流流至水槽1末端后，通过两侧侧流通道12的出口左落水管18和出口右落水管19流入汇集管21，经由汇集管21流入储水箱22，实现造流。

从图7中可以看出，弧形起降板15的末端与钢丝绳连接，钢丝绳与固定在水槽1壁面的固定轴相连接，通过转动轴来实现弧形起降板15高度的改变，并可以通过角度标尺31来读出弧形起降板15与水槽1底面的夹角。水库3中分流通道4的出口宽度为水槽1宽度的0.1~0.3倍，分流通道4与水槽1之间的角度在10°~30°之间。导流装置7由多个导流板组成，通过调节旋转把手从而改变导流板角度，使得流入方向与水槽1壁面的角度尽可能小，入流更加平稳。

实施例1：为开展波浪作用下结构物的动态响应测试，待实验水槽1安装完成后，在储水箱22中装满水，关闭侧流通道12的出口闸门11和尾部落水管17上的阀门20，开启分流通道4的入口闸门8和尾部闸门13，并在水槽1尾端安装消波装置16；开启水泵23，水泵23通过供水管25从储水箱22吸水向水库3供水，通过水深标尺32观察水槽1内水深的变化，当水槽1内的液面高度达到预定高度时，关闭入口闸门8和水泵23；启动造波机9，造波机9推动造波板10向前运动实现造波，通过控制造波机9的推动频率及速度可生成规则波和不规则波；利用横向滑轨29和侧向滑轨30，将实验待测物安置在水槽1内，即可开展其在波浪作用下的动态响应测试；另外，水槽1尾部的消波装置16可进行更换，以实现对不同消波装置16的消波效果进行评价。

实施例2：为开展海流作用下结构物的动态响应测试，待实验水槽1安装完成后，在储水箱22中装满水，关闭尾部闸门13，开启入口闸门8和出口闸门11；开启水泵23，水泵23通过供水管25从储水箱22吸水向水库3供水，通过调节入口闸门8的开度来调节水库3的液面高度，水库3液面高度可由水位测针26测得；通过调节出口闸门11的开度来调节水槽1液面的高度，水槽1液面高度可由水深标尺32测得；通过调节导流装置7的导流板角度可以改变水流进入水槽1的流向，使得流入方向与水槽1壁面的角度尽可能小，入流更加平稳；水流流至水槽1末端后，通过两侧侧流通道12的出口左落水管18和出口右落水管19流入汇集管21，经由汇集管21流入储水箱22；当水库3的液面和水槽1内的液面达到稳定的高度后，利用横向滑轨29和侧向滑轨30，将实验待测物安置在水槽1内，可开展在海流作用下的动态响应测试。

实施例3：为开展波流共同作用下结构物的动态响应测试，待实验水槽1安装完成后，在储水箱22中装满水，关闭尾部闸门13，关闭尾部落水管17上的阀门20，开启入口闸门8和出口闸门11；开启水泵23，水泵23通过供水管25从储水箱22吸水向水库3供水，通过调节入口闸门8的开度来调节水库3的液面高度，水库3液面高度可由水位测针26测得；通过调节出口闸门11的开度来调节水槽1液面的高度，水槽1液面高度可由水深标尺32测得；通过调节导流装置7的导流板角度可以改变水流进入水槽1的流向，使得流入方向与水槽1壁面的角度尽可能小，入流更加平稳；水流流至水槽1末端后，通过两侧侧流通道12的出口左落水管18和出口右落水管19流入汇集管21，经由汇集管21流入储水箱22；当水库3的液面和水槽1内的液面达到稳定的高度后，开启尾部闸门13，并在水槽1尾端安装消波装置16；待水槽1内的液面恢复稳定后，启动造波机9，造波机9推动造波板10向前运动实现造波，通过控制造波机9的推动频率及速度可生成规则波和不规则波；此时，即实现了水槽1内波浪和海流的同时制造；调节尾部弧形起降板15与水槽1底面的夹角可以改变其迎流坡度，从而达到更佳的消波效果；在波浪稳定段，可利用横向滑轨29和侧向滑轨30，将实验待测物安置在水槽1内，从而开展在波浪、海流共同作用下的动态响应测试。

Claims (5)

1.一种中浅水同向波流实验水槽，是由水槽（1）、承载钢梁（2）、水库（3）、分流通道（4）、入流整流板（5）、分流整流板（6）、导流装置（7）、入口闸门（8）、造波机（9）、造波板（10）、出口闸门（11）、侧流通道（12）、尾部闸门（13）、固定坡（14）、弧形起降板（15）、消波装置（16）、尾部落水管（17）、出口左落水管（18）、出口右落水管（19）、阀门（20）、汇集管（21）、储水箱（22）、水泵（23）、电磁流量计（24）、供水管（25）、水位测针（26）、三角固定支架（27）、升降器（28）、横向滑轨（29）、侧向滑轨（30）、角度标尺（31）和水深标尺（32）组成，其特征在于：在水库（3）两端开有对称折向水槽（1）的分流通道（4），并在靠近供水管（25）的出水口两侧对称位置安置入流整流板（5），在两侧翼的分流通道（4）的入水口分别安装分流整流板（6）；在分流通道（4）靠近水槽（1）处装有导流装置（7），水库（3）还配有水位测针（26）；水槽（1）为钢制承载结构，槽壁为钢化玻璃，水槽（1）一端由三角固定支架（27）固定于地面，另一端由升降器（28）来支撑；水槽（1）前端安装有造波板（10），造波板（10）与造波机（9）相连接，水槽（1）尾端开有侧流通道（12）以及固定坡（14）、弧形起降板（15）及消波装置（16），对应位置的水槽（1）壁面贴有角度标尺（31）；消波装置（16）为一整体结构，可进行更换；在水库（3）的分流通道（4）与水槽（1）相接的位置安装有入口闸门（8），水槽（1）尾端与侧流通道（12）相接处安装有出口闸门（11），在固定坡（14）前端安装有尾部闸门（13）；水槽（1）两边缘上方安装有两根横向滑轨（29）和两根纵向滑轨（30），水槽（1）侧壁贴有水深标尺（32）；水槽（1）的侧流通道（12）末端连接出口左落水管（18）和出口右落水管（19），落水管为可伸缩式；然后通过汇集管（21）连接至储水箱（22）；在安置消波装置（16）的正下方水槽（1）上开有圆形开口，与尾部落水管（17）相连接，尾部落水管（17）上安装有阀门（20），同样连至汇集管（21）并通向储水箱（22）；储水箱（22）与供水管（25）相连接，中间安装水泵（23），且水泵（23）的出口处安装电磁流量计（24）；供水管（25）末端垂向伸入水库（3）。

2.一种中浅水同向波流制造方法，其特征在于：实验水槽（1）安装完成后，在储水箱（22）中装满水，关闭尾部闸门（13），关闭尾部落水管（17）上的阀门（20），开启入口闸门（8）和出口闸门（11）；开启水泵（23），水泵（23）通过供水管（25）从储水箱（22）吸水向水库（3）供水，通过调节入口闸门（8）的开度来调节水库（3）的液面高度，水库（3）液面高度可由水位测针（26）测得；通过调节出口闸门（11）的开度来调节水槽（1）液面的高度，水槽（1）液面高度可由水深标尺（32）测得；通过调节导流装置（7）的导流板角度改变水流进入水槽（1）的流向，水流流至水槽（1）末端后，通过两侧侧流通道（12）的出口左落水管（18）和出口右落水管（19）流入汇集管（21），经由汇集管（21）流入储水箱（22），当水库（3）的液面和水槽1内的液面达到稳定的高度后，开启尾部闸门（13），并在水槽（1）尾端安装消波装置（16）；待水槽（1）内的液面恢复稳定后，启动造波机（9），造波机（9）推动造波板（10）向前运动实现造波，通过控制造波机（9）的推动频率及速度可生成规则波和不规则波；此时，即实现了水槽（1）内波浪和海流的同时制造。

3.如权利1所述的一种中浅水同向波流实验水槽，其特征是：水库（3）中分流通道（4）出口宽度为水槽（1）宽度的0.1~0.3倍，分流通道（4）与水槽（1）之间的角度在10°~30°之间。

4.如权利1所述的一种中浅水同向波流实验水槽，其特征是：弧形起降板（15）的末端通过钢丝绳固定在水槽（1）壁面的旋转轴上。

5.如权利2所述的一种中浅水同向波流制造方法，其特征是：可通过调节尾部弧形起降板（15）与水槽（1）底面的夹角可以改变其迎流坡度，增强消波效果。

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