CN104266819A - 一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置及其造波方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置，包括计算机、数据采集模块、不规则波造波模块、连接杆、基座、固定在基座上的运动机构、台面和固定在台面上的液舱及粒子成像测速仪系统，粒子成像测速仪系统正对液舱的正面，所述不规则波造波模块与台面通过连接杆连接，台面在运动机构上平稳平移；所述装置还包括数字压力传感器、应变传感器、浪高仪、位移传感器和加速度传感器，数字压力传感器和应变传感器分别嵌入液舱内壁，浪高仪安装在液舱内部，位移传感器的一端和加速度传感器分别安装在台面上，位移传感器的另一端与基座固定。该装置能在小型室内精确模拟随机波浪作用下的液体晃荡。

Description

一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置及其造波方法

技术领域

本发明涉及一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置及其造波方法，尤其涉及一种船舶与海洋工程领域使用的液货船液舱在随机波浪激励下的液体晃荡小型室内模拟试验及测量装置。

背景技术

众所周知，海洋波浪属于随机波浪。因此，研究液舱内液体在随机波浪作用下的水动力学特性是非常必要的，而模型试验是研究此问题比较可靠的方法。然而，目前的模型试验研究主要集中在对简谐波激励下的液体晃荡研究上，对随机波浪激励下液舱内的非线性液体晃荡特性研究还鲜有报道，仍需要开展大量的研究工作。通过模型试验不仅可以较全面的观测液舱内晃荡波的生成、传播、演化及与舱内壁的作用规律等水动力学特性，也可为深入了解随机波浪作用下的晃荡冲击压力分布规律及液舱内复杂的流场信息，对探索减小舱内液体晃荡的有效措施，提升大型液货船的设计理念具有十分重要的理论意义和工程应用价值。但是，目前的模型试验设备并不能提供一种精确模拟随机波浪作用下液体晃荡特性的室内小型模拟装置及其造波方法，这给基于试验手段模拟真实海况作用下的液舱内液体晃荡波特性带来了困难和挑战。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置及其造波方法，能在小型室内精确模拟随机波浪作用下的液体晃荡。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置，其特征在于：包括计算机、数据采集模块、不规则波造波模块、连接杆、基座、固定在基座上的运动机构、台面、液舱和粒子成像测速仪系统，液舱和粒子成像测速仪系统固定在台面上且粒子成像测速仪系统正对液舱的正面，所述的计算机直接与不规则波造波模块连接，所述不规则波造波模块与台面通过连接杆连接，台面在运动机构上平稳平移；所述装置还包括数字压力传感器、应变传感器、浪高仪、位移传感器和加速度传感器，数字压力传感器和应变传感器分别嵌入液舱内壁，浪高仪安装在液舱内部，位移传感器的一端和加速度传感器分别安装在台面上，位移传感器的另一端固定在基座上；所述数字压力传感器、应变传感器、浪高仪、位移传感器和加速度传感器分别通过数据采集模块与计算机连接。

进一步的，所述不规则波造波模块包括控制端口、运动控制卡、复位控制器、伺服控制驱动器、伺服电机和机械构件，所述控制端口的输入端连接计算机，控制端口的输出端连接运动控制卡的输入端，运动控制卡的输出端分别连接复位控制器和伺服控制驱动器的输入端，伺服控制驱动器控制伺服电机的启动与停止，复位控制器通过伺服电机实时监控机械构件的移动位置，机械构件与前述连接杆连接。

进一步的，基座还包括L型固定杆，该L型固定杆包括横杆与竖杆，所述横杆的一端与竖杆的一端连接，横杆另一端固定于基座靠近位移传感器的一端，使得位移传感器的另一端抵靠并固定于L型固定杆的竖杆上。

进一步的，所述运动机构包括水平导轨和两个滑块，水平导轨固定安装在基座上，且水平导轨两端设有防止滑块脱离水平导轨的固定卡，所述滑块嵌入水平导轨内，滑块顶部与台面固定连接，两个滑块将台面长度平均分成三等分。

本发明还提供一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置的造波方法，包括以下几个步骤：

步骤一：给定模拟随机波浪运动的时间t、有效波高H_s和峰值周期T_p；已知Bretschneider谱s_η(ω)的表达式如下：

$s_{\mathrm{\η}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{5H_s^2}{16{\mathrm{\ω}}_p}{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_p}{\mathrm{\ω}}\right)}^5\exp [-\frac{5}{4}{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_p}{\mathrm{\ω}}\right)}^4],$

其中，峰值频率ω为圆频率；

由此得到由N_ω个单色波叠加组成的波面高程η(t)的表达式：

这里ω_i和分别为第i个单色波的固有频率和相位，N_ω为所有单色波的个数，A_i为第i个单色波的幅度，由下式得

$A_i=\sqrt{2S_{\mathrm{\η}}\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{\Δ\ω}},$

这里采用等分频率法，取[ω_L,ω_H]为Bretschneider谱的频谱范围，第i个单色波的相位取值为[0,2π]；频谱的高低频侧各略去总能量的μ部分，这里μ＝0.002，则ω_L和ω_H由下式确定：

${\mathrm{\ω}}_L=\frac{1.05}{T_P}{(-\frac{1605.3}{\ln \mathrm{\μ}})}^{1/4},$ ${\mathrm{\ω}}_H=\frac{1.05}{T_P}{(-\frac{1605.3}{\ln (1-\mathrm{\μ})})}^{1/4},$

步骤二：依据线性造波理论，台面的水平速度由下式获得：

其中，S_η(ω_i)是对应Bretschneider谱的第i个单色波的固有频率ω_i的能谱密度值，ω_i＝ω_L+(i-1)Δω(i为整数且1≤i≤N_ω)；

因此，台面的水平运动速度表示为：

最终在上述水平速度的激励下，液舱内液体随台面的运动而受迫晃动。

采用上述方案后，本发明的一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置及其造波方法能在小型室内精确模拟随机波浪作用下的液体晃荡，并分析其特性，给基于试验手段模拟真实海况作用下的液舱内液体晃荡波特性提供了帮助。

附图说明

图1是一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置的结构图。

图2是不规则波造波模块的模块连接图。

图3是具体实施方式中本发明的装置扩展到纵摇与纵荡两自由度耦合运动时的示意图。

图4是具体实施方式中本发明的装置扩展到纵摇与升沉两自由度耦合运动时的示意图。

图5是有效波高0.015米、峰值周期1.2秒时Bretschneider谱的能谱图。

图6是有效波高0.015米、峰值周期1.2秒时，依照Bretschneider谱生成的随机位移曲线。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置，包括计算机11、数据采集模块12、不规则波造波模块1、连接杆3、基座13、固定在基座13上的运动机构2、台面17和固定在台面17上的液舱4及粒子成像测速仪系统5。粒子成像测速仪系统5正对液舱4的正面，用于记录液舱4内液体自由液面的变化；所述的计算机11直接与不规则波造波模块1连接，所述不规则波造波模块1与台面17通过连接杆3连接，台面17在运动机构2上平稳平移，所述不规则波造波模块1给出一个台面17的水平速度，通过连接杆3使台面17水平运动；所述装置还包括数字压力传感器6、应变传感器7、浪高仪8、位移传感器9、加速度传感器10数字压力传感器6和应变传感器7分别嵌入液舱4的内壁，分别用于测量液舱4受到的压力和应变，浪高仪8安装在液舱4内表面，用于测量液舱4内液体的浪高，位移传感器9的一端和加速度传感器10分别安装在台面17上，位移传感器9的另一端与基座13连接，分别用于测量台面17的位移和加速度；所述数字压力传感器6、应变传感器7、浪高仪8、位移传感器9和加速度传感器10分别通过数据采集模块12与计算机11连接。所述基座13还包括L型固定杆18，该L型固定杆18包括横杆与竖杆，所述横杆一端与竖杆的一端连接，横杆另一端固定于基座靠近位移传感器9的一端，使得位移传感器9的另一端抵靠并固定于L型固定杆18的竖杆上，这样位移传感器9能更准确的测出台面17的位移。

在本实施例中，所述运动机构2包括水平导轨14和两个滑块15、16，水平导轨14固定安装在基座13上，且水平导轨14两侧设有防止滑块15、16脱离水平导轨14的固定卡，所述滑块15、16嵌入水平导轨14内，滑块顶部与台面17固定连接，两个滑块15、16将台面17长度平均分成三等分。

如图2所示，所述不规则波造波模块包括控制端口100、运动控制卡200、复位控制器300、伺服控制驱动器400、伺服电机500和机械构件600，所述控制端口100的输入端连接计算机11，控制端口100的输出端连接运动控制卡200的输入端，运动控制卡200的输出端分别连接复位控制器300和伺服控制驱动器400的输入端，伺服控制驱动器400控制伺服电机500的启动与停止，复位控制器300通过伺服电机500实时监控机械构件600的移动位置，机械构件600与前述连接杆3连接。所述的伺服电机500是交流伺服电机，采用位置控制方式，并由伺服控制驱动器400对伺服电机500提供行程保护。

如图3所示，一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置还包括支架a、旋转轴b，所述的支架a与旋转轴b连接，并放置在图1所述的台面17上，所述的旋转轴b由可控机械控制。

如图4所示，一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置还包括定滑轮d、托板框架c，所述的支架a与旋转轴b连接，并放置在所述的托板框架c上，通过两只定滑轮d与图1中所述的连接杆3连接。

首先按照试验要求对图1中液舱4加载液体，设置并调整好数字压力传感器6、应变传感器7和浪高仪8，将液舱4密封；其次校正位移传感器9和加速度传感器10，然后依照试验要求在不规则波造波模块1的控制软件中输入台面17水平随机运动的波列长度、随机种子、控制间隔、有效波高、周期，控制软件根据输入的数据生成不规则波造波模块1中机械构件600的随机运动，通过连接杆3最终驱动台面17按照预定的规律运动；最后，在液舱4内液体开始晃动前，通过数据采集模块12的控制软件向数字压力传感器6、应变传感器7、浪高仪8、位移传感器9、加速度传感器10下达命令开始实时记录晃动的液体对舱壁的压力、应变、舱内液体自由面变化、液舱实际运动轨迹及加速度历程并通过数据采集模块12将结果传输至计算机11，同时通过计算机11向PIV系统(粒子成像测速仪系统)5发出指令记录液舱内的自由液面变化，并通过软件分析出流场的演化特性，计算机11自动将试验结果存储在计算机11的存储设备上并在显示屏上实时呈现试验结果，实现对舱内液体晃荡现象的实时监测，从而使试验者了解液舱在随机波浪运动激励下的非线性液体晃荡特性。

按照图3可以把本发明模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置扩展到纵摇与纵荡两自由度耦合运动的情况。

按照图4可以把本发明模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置扩展到纵摇与升沉两自由度耦合运动的情况。

为了说明如何在控制软件中确定预定随机波浪运动的时间t、有效波高H_s和峰值周期T_p等参数，以Bretschneider谱为例给出生成不规则运动的相关参数依据。Bretschneider谱的表达式如下

$s_{\mathrm{\η}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{5H_s^2}{16{\mathrm{\ω}}_p}{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_p}{\mathrm{\ω}}\right)}^5\exp [-\frac{5}{4}{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_p}{\mathrm{\ω}}\right)}^4],$

这里H_s为有效波高，为峰值频率，ω为圆频率；

由此得到由N_ω个单色波叠加组成的波面高程η(t)的表达式：

这里ω_i和分别为第i个单色波的固有频率和相位，N_ω(一般取N_ω＝50～100)为所有单色波的个数，A_i为第i个单色波的幅度，由下式求得

$A_i=\sqrt{2S_{\mathrm{\η}}\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{\Δ\ω}},$

这里采用等分频率法，取[ω_L,ω_H]为Bretschneider谱的频谱范围，第i个单色波的相位取值为[0,2π]范围内均布的随机数。频率谱的高低频侧各允许略去总能量的μ部分(例如千分之二，即μ＝0.002)，则ω_L和ω_H可由下式确定：

${\mathrm{\ω}}_L=\frac{1.05}{T_P}{(-\frac{1605.3}{\ln \mathrm{\μ}})}^{1/4},$ ${\mathrm{\ω}}_H=\frac{1.05}{T_P}{(-\frac{1605.3}{\ln (1-\mathrm{\μ})})}^{1/4},$

类似的，不规则造波模块便由下式

来控制台面的运动。依据线性造波理论，台面的水平速度可由下式获得

其中，S_η(ω_i)是对应Bretschneider谱的第i个单色波的固有频率ω_i的能谱密度值，ω_i＝ω_L+(i-1)Δω(i为整数且1≤i≤N_ω)。

因此，台面的水平运动速度最终表示为：

由此式便可知，只要确定预造波的主要相关参数，如峰值周期、有效波高、模拟随机波浪运动的时间等就可以造出预先指定的随机运动。图5给出了有效波高0.015米、峰值周期1.2秒时Bretschneider谱的能谱图。图6给出了有效波高0.015米、峰值周期1.2秒时，依照Bretschneider谱生成的由图1所述的位移传感器9测得的图1所述的台面17的随机位移曲线。

综上所述，本发明的一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置及其造波方法能在小型室内精确模拟随机波浪作用下的液体晃荡，并分析其特性，给基于试验手段模拟真实海况作用下的液舱内液体晃荡波特性提供了帮助。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (5)

1.一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置，其特征在于：包括计算机、数据采集模块、不规则波造波模块、连接杆、基座、固定在基座上的运动机构、台面、液舱和粒子成像测速仪系统，液舱和粒子成像测速仪系统固定在台面上且粒子成像测速仪系统正对液舱的正面，所述的计算机直接与不规则波造波模块连接，所述不规则波造波模块与台面通过连接杆连接，台面在运动机构上平稳平移；所述装置还包括数字压力传感器、应变传感器、浪高仪、位移传感器和加速度传感器，数字压力传感器和应变传感器分别嵌入液舱内壁，浪高仪安装在液舱内部，位移传感器的一端和加速度传感器分别安装在台面上，位移传感器的另一端固定在基座上；所述数字压力传感器、应变传感器、浪高仪、位移传感器和加速度传感器分别通过数据采集模块与计算机连接。

2.如权利要求1所述的一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置，其特征在于：所述不规则波造波模块包括控制端口、运动控制卡、复位控制器、伺服控制驱动器、伺服电机和机械构件，所述控制端口的输入端连接计算机，控制端口的输出端连接运动控制卡的输入端，运动控制卡的输出端分别连接复位控制器和伺服控制驱动器的输入端，伺服控制驱动器控制伺服电机的启动与停止，复位控制器通过伺服电机实时监控机械构件的移动位置，机械构件与前述连接杆连接。

3.如权利要求1所述的一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置，其特征在于：基座还包括L型固定杆，该L型固定杆包括横杆与竖杆，所述横杆的一端与竖杆的一端连接，横杆另一端固定于基座靠近位移传感器的一端，使得位移传感器的另一端抵靠并固定于L型固定杆的竖杆上。

4.如权利要求1至3中任一项所述的一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置，其特征在于：所述运动机构包括水平导轨和两个滑块，水平导轨固定安装在基座上，且水平导轨两端设有防止滑块脱离水平导轨的固定卡，所述滑块嵌入水平导轨内，滑块顶部与台面固定连接，两个滑块将台面长度平均分成三等分。

5.一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置的造波方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

步骤一：给定模拟随机波浪运动的时间t、有效波高H_s和峰值周期T_p；已知Bretschneider谱s_η(ω)的表达式如下：

$s_{\mathrm{\η}}\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{5H_s^2}{16{\mathrm{\ω}}_p}{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_p}{\mathrm{\ω}}\right)}^5\exp [-\frac{5}{4}{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_p}{\mathrm{\ω}}\right)}^4];$

其中，峰值频率ω为圆频率；

由此得到由N_ω个单色波叠加组成的波面高程η(t)的表达式：

这里ω_i和分别为第i个单色波的固有频率和相位，N_ω为所有单色波的个数，A_i为第i个单色波的幅度，由下式得

$A_i=\sqrt{2S_{\mathrm{\η}}\left(\mathrm{\ω}\right)\mathrm{\Δ\ω}},$

这里采用等分频率法，取[ω_L,ω_H]为Bretschneider谱的频谱范围，第i个单色波的相位取值为[0,2π]；频谱的高低频侧各略去总能量的μ部分，这里μ＝0.002，则ω_L和ω_H由下式确定：

${\mathrm{\ω}}_L=\frac{1.05}{T_P}{(-\frac{1605.3}{\ln \mathrm{\μ}})}^{1/4},$ ${\mathrm{\ω}}_H=\frac{1.05}{T_P}{(-\frac{1605.3}{\ln (1-\mathrm{\μ})})}^{1/4};$

步骤二：依据线性造波理论，台面的水平速度由下式获得：

其中，S_η(ω_i)是对应Bretschneider谱中第i个单色波的固有频率ω_i的能谱密度值，ω_i＝ω_L+(i-1)Δω(i为整数且1≤i≤N_ω)；

因此，台面的水平运动速度表示为：

最终在上述水平速度的激励下，液舱内液体随台面的运动而受迫晃动。