CN104697741B - 一种模拟波浪的模型试验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种模拟波浪的模型试验装置及试验方法，包括模型槽、电动机、传动链条、主动齿轮、从动齿轮、造波片、消能坡、波浪测量仪、波速测量仪，通过传动链条、主动齿轮、从动齿轮与传动轴将低频电动机的转动能量传送到造波片，造波片的转动拨动模型槽内的水产生波浪，通过更换主动齿轮的大小来改变波浪的频率，通过造波片的伸长与缩短来改变波浪的幅度，通过调距齿轮来调节因更换主动齿轮产生的传动链条的松紧，使用波浪测量仪来测定波浪的频率与幅度，使用波速测量仪来测量波浪的流速，使用消能坡来消除波浪，通过埋设在坝坡中的监测仪器来测定坝坡的波浪响应。这种装置可以串联多个模型槽，同时模拟多种波浪工况，既经济又高效。

Description

一种模拟波浪的模型试验装置及试验方法

技术领域

本发明提供了一种模拟波浪的模型试验装置，属于土木工程领域。

背景技术

水库在运营期间大坝处于开放的自然环境中，长期受到波浪荷载的冲击作用，使得筑坝材料物理力学性质随运营时间的增加而发生衰减，严重影响坝体的安全运营，属于水利工程中的一个重大技术问题，目前引起了工程界的足够重视，因此，研究波浪荷载作用下筑坝材料强度衰减规律对于坝体的坍塌预测防护具有重要的现实意义。

试验研究对于自然科学的重要性是众所周知的，其中，现场原位测试得出的结果比较符合实际情况，然而水库坝体等挡水建筑物波浪响应的现场原位测试较难进行，因此，室内模拟试验是一种切实可行的手段。如何产生波浪是室内试验首先考虑的问题，目前大多数模拟波浪的试验中使用造波机，但造波机价格昂贵，不经济，且同一时间只能模拟一种工况，效率较低，因此，研发一种经济且高效的波浪模型试验装置较为可行。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种模拟波浪的模型试验装置及试验方法。

本发明采用的技术方案如下:

一种模拟波浪的模型试验装置,包括模型槽，在所述模型槽内的一端设有坡坝，相对的另一端设有消能坡，且在模型槽内沿水流动的方向设有用于测量波浪频率与幅度的波浪测量仪、用于测量波浪流速的波速测量仪和用于产生波浪的造波片，所述的造波片位于波速测量仪和波浪测量仪的后端，且造波片在驱动装置的驱动下转动，通过造波片的转动拨动模型槽内的水产生波浪。

进一步的，所述的驱动装置包括一个电机，所述的电机驱动一个主动齿轮通过一个传动链条驱动一个从动齿轮，所述的从动齿轮的输出轴上与其同轴安装夹片，所述的夹片通过连接装置连接造波片。

进一步的，所述的传动链条的内侧安装有调距齿轮。

进一步的，通过更换所述的主动齿轮的大小来改变波浪的频率。

进一步的，通过调整造波片的长短能改变波浪的幅度。

进一步，通过所述的调距齿轮来调节因更换主动齿轮产生的传动链条的松紧。

进一步的，所述的模型槽使用有机玻璃制成或使用混凝土浇筑而成，内部装有水，模型槽的尺寸大小及水面高低均根据实验设计方案而定，模型槽能并排的设置多个进行串联，且多个模型槽共用一个电机，同时进行不同工况试验。

进一步的，所述的低频电动机安装在模型槽外侧，通过传动装置为制造波浪提供动力。

进一步的，所述的传动链条、调距齿轮、主动齿轮、从动齿轮位于模型槽内侧，三个齿轮处于同一竖直平面上，通过传动链条联系在一起。

进一步的，所述的调距齿轮通过键固定在轴承上，所述的轴承通过键和螺帽固定在调距轴上。

进一步的，所述的调距轴穿过调距孔通过螺帽固定在模型槽侧壁上，所述的螺帽在模型槽侧壁内外两侧各有一个，内侧的螺帽位于调距齿轮和模型槽侧壁之间，用于固定调距轴。

进一步的，所述的调距孔宽度应略大于调距轴直径，长度根据模型槽尺寸而定。

进一步的，所述的主动齿轮和从动齿轮通过键分别固定在两个传动轴上并用螺帽加以固定，防止其沿传动轴移动。

进一步的，所述的轴承固定在模型槽侧壁上。

进一步的，所述的造波片材质为硬质塑料或钢板，可以根据实验要求伸长或缩短，其宽度应小于模型槽宽度，其长度应根据模型槽深度和传动轴高度位置而定。

进一步的，所述的片夹为钢材制成，焊接在传动轴上。

进一步的，所述的螺母用于将造波片固定在片夹上。

进一步的，所述的波浪测量仪与波速测量仪位于模型槽的内部，与坝坡间隔一定的距离。

进一步的，所述的坝坡与消能坡分别位于模型槽的两端，坝坡的尺寸根据试验设计而定，其内部根据试验方案埋设有相应的监测仪器，消能坡的材质应与模型槽材质相同。

上述装置的试验方法如下：

(1)根据试验方案确定的工况类型确定串联模型槽及模型部件的个数与种类，主动齿轮与从动齿轮的直径应根据波浪频率确定；

(2)将加工好的各个部件安装在所述的模型槽内；

(3)按照相似比确定坝体的坡度与高度，然后在模型槽内填筑坝体，并在坝体内部埋设相应的监测仪器；

(4)向模型槽内注水，水位高低按设计要求而定，注水时应避免水流直接冲刷坝坡；

(5)检查模型部件是否安装正确，如果正确，则转到步骤(6)；

(6)开启低频电动机，使用波浪测量仪、波速测量仪测定波浪要素是否满足设计要求，若不满足设计要求，通过改变电动机频率、更换齿轮大小、伸长或缩短造波片的手段进行调节；

(7)待波浪要素调节完毕后，按照设计要求使波浪作用相应的时间，期间通过埋设在坝坡内的监测仪器测定并记录所需的数据。

对于多种波浪工况同时进行时，相邻模型槽之间的主动齿轮与从动齿轮的直径应按下式确定：

其中：d₁为主动齿轮直径，d₂为从动齿轮直径，T₁为靠近电动机模型槽内的波浪周期，T₂为远离电动机模型槽内的波浪周期，n_主动齿轮为主动齿轮转速，n_从动齿轮为从动齿轮转速。

本发明的有益效果如下：

本发明将低频电动机的转动能量传送到造波片，造波片的转动拨动模型槽内的水产生波浪，通过更换主动齿轮的大小来改变波浪的频率，通过造波片的伸长与缩短来改变波浪的幅度，通过调距齿轮来调节因更换主动齿轮产生的传动链条的松紧，使用波浪测量仪来测定波浪的频率与幅度，使用波速测量仪来测量波浪的流速，使用消能坡来消除波浪，通过埋设在坝坡中的监测仪器来测定坝坡的波浪响应。这种装置可以串联多个模型槽，同时模拟多种波浪工况，既经济又高效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1模型整体布置图；

图2齿轮局部示意图；

图3调距齿轮局部示意图；

图4传动轴与模型槽侧壁接触处局部示意图；

图5主动(或从动)齿轮与轴承连接示意图；

图6造波片局部示意图；

图7坝坡与消能坡截面图；

图中：1坝坡，2模型槽，3低频电动机，4a、4b螺帽，5传动链条，6调距齿轮，7调距轴，8主动齿轮，9a、9b传动轴，10调距孔，11从动齿轮，12螺母，13片夹，14造波片，15消能坡，16波浪测量仪，17波速测量仪，18模型槽侧壁，19a～d键，20a、20b轴承。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

如图1所示，为两个模型槽串联后的模拟波浪的模型试验装置(可根据试验工况需要串联多个模型槽)，其中一个模型试验装置包括模型槽2、低频电动机3、螺帽4a、传动链条5、调距齿轮6、调距轴7、主动齿轮8、传动轴9a、9b、从动齿轮11、螺母12、片夹13、造波片14、消能坡15、波浪测量仪16、波速测量仪17、键19(a～d)、轴承20a、20b，通过传动链条5、主动齿轮8、从动齿轮11与传动轴9a、9b将低频电动机3的转动能量传送到造波片14，造波片14的转动拨动模型槽2内的水产生波浪，通过更换主动齿轮8的大小来改变波浪的频率，通过造波片14的伸长与缩短来改变波浪的幅度，通过调距齿轮6来调节因更换主动齿轮8产生的传动链条5的松紧，使用波浪测量仪16来测定波浪的频率与幅度，使用波速测量仪17来测量波浪的流速，使用消能坡15来消除波浪，通过埋设在坝坡1中的监测仪器来测定坝坡的波浪响应。

另一个模型试验装置包括模型槽2、螺帽4a，4b、传动链条5、调距齿轮6、调距轴7、主动齿轮8、传动轴9b、从动齿轮11、螺母12、片夹13、造波片14、消能坡15、波浪测量仪16、波速测量仪17、键19(a～d)、轴承20a、20b，该套装置与上面的一套装置共用一个低频电动机3，且传动轴9a作为该套装置的动力输入轴，其余的与上面的装置一样。

模型槽2可以使用有机玻璃制成或使用混凝土浇筑而成，内部装有水，模型槽2的尺寸大小及水面高低均根据实验设计方案而定，模型槽2还可以在上面的基础之上再进行多个串联，同时进行不同工况试验。

低频电动机3安装在模型槽外侧，通过传动装置为制造波浪提供动力。

传动链条5、调距齿轮6、主动齿轮8、从动齿轮11位于模型槽内侧，三个齿轮处于同一竖直平面上，通过传动链条5联系在一起，如图2所示。

调距齿轮6通过键19a固定在轴承20a上，所述的轴承20a通过键19b和螺帽固定在调距轴7上，如图3所示。

调距轴7穿过调距孔10通过螺帽4a固定在模型槽侧壁18上，所述的螺帽4a在模型槽侧壁内外两侧各有一个，内侧的螺帽位于调距齿轮6和模型槽侧壁18之间，用于固定调距轴。

调距孔10宽度应略大于调距轴直径，长度根据模型槽尺寸而定。

主动齿轮8和从动齿轮11通过键19d分别固定在传动轴9a和9b上，如图5所示，并用螺帽加以固定，防止其沿传动轴9a和9b移动。

轴承20b固定在模型槽侧壁18上。

传动轴9a和9b通过键19c与轴承20b连接在一起，如图4所示，传动轴9a和9b的两端均用螺帽固定在轴承上，防止其水平移动。

造波片14通过螺母12固定在片夹13上，造波片14材质为硬质塑料或钢板，可以根据实验要求伸长或缩短，其宽度应小于模型槽宽度，其长度应根据模型槽深度和传动轴高度位置而定，如图6所示。

片夹13为钢材制成，焊接在传动轴9b上。

螺母12用于将造波片固定在片夹上。

波浪测量仪16与波速测量仪17位于模型槽2的内部，与坝坡间隔一定的距离。

坝坡1与消能坡15分别位于模型槽2的两端，如图7所示，坝坡1的尺寸根据试验设计而定，其内部根据试验方案埋设有相应的监测仪器，消能坡15的材质应与模型槽2材质相同。

上述装置的试验方法，如下：

(1)根据试验方案确定的工况类型设计串联模型槽及模型部件的个数与种类，主动齿轮与从动齿轮的直径应根据设计的波浪频率确定。

对于多种波浪工况同时进行时，相邻模型槽之间的主动齿轮与从动齿轮的直径应按下式确定：

其中：d₁为主动齿轮直径，d₂为从动齿轮直径，T₁为靠近电动机模型槽内的波浪周期，T₂为远离电动机模型槽内的波浪周期，n_主动齿轮为主动齿轮转速，n_从动齿轮为从动齿轮转速。

(2)将加工好的部件按上述技术方案安装成模型，如图1所示。

(3)按照相似比确定坝体的坡度与高度，然后在模型槽内填筑坝体，并在坝体内部埋设相应的监测仪器，如孔隙水压力计、动应力传感器等，应尽量使用小尺寸的仪器。

(4)向模型槽内注水，水位高低按设计要求而定，注水时应避免水流直接冲刷坝坡。

(5)检查模型部件是否安装正确，主要包括：传动轴与调距轴的固定螺帽是否拧紧，主动齿轮、从动齿轮和调距齿轮是否处于同一竖直面上，传动链条是否绷紧，造波片的固定螺母是否拧紧，波浪测量仪与波速测量仪的放置位置是否合适，填筑的坝体尺寸是否满足要求，坝体内埋设的仪器位置是否合适等。

(6)开启低频电动机，使用波浪测量仪、波速测量仪测定波浪要素是否满足设计要求，若不满足设计要求，可通过改变电动机频率、更换齿轮大小、伸长或缩短造波片等手段进行调节，具体操作方式如下：

若波浪的频率较快、波速较大时，可降低电动机的频率，若操作不便，可先松开调距轴的固定螺帽，将调距轴下移，使传动链条松弛，将主动动齿轮更换为较小直径的齿轮，然后上移调距轴并加以固定，使传动链条绷紧，再测定波浪的频率与波速，直至与设计要求相同或相近为止。

若波浪的频率较慢、波速较小时，可增大电动机的频率，若操作不便，可先松开调距轴的固定螺帽，将调距轴下移，使传动链条松弛，将主动动齿轮更换为较大直径的齿轮，然后上移调距轴并加以固定，使传动链条绷紧，再测定波浪的频率与波速，直至与设计要求相同或相近为止。

若波浪的波幅与波长较大时，可通过上述降低波浪频率的方式进行调节，若频率已固定，可先松开造波片的固定螺母，然后将造波片向内移动，缩短其长度，再拧紧固定螺母，然后测定波浪的波幅，直至与设计要求相同或相近为止。

若波浪的波幅与波长较小时，可通过上述调高波浪频率的方式进行调节，若频率已固定，可先松开造波片的固定螺母，然后将造波片向外移动，增大其长度，再拧紧固定螺母，然后测定波浪的波幅，直至与设计要求相同或相近为止。

在波浪要素的调节过程中，应综合考虑波频、波速、波幅与波长的大小，因为每次对其中某一个要素进行调节时，将会影响其他要素的大小，应遵循的原则是：全面衡量、协调变化。

(7)待波浪要素调节完毕后，按照设计要求使波浪作用相应的时间，期间通过埋设在坝坡内的监测仪器测定并记录所需的数据。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (7)

1.一种模拟波浪的模型试验装置,包括模型槽，其特征在于，在所述模型槽内的一端设有坡坝，相对的另一端设有消能坡，且在模型槽内沿水流动的方向设有用于测量波浪频率与幅度的波浪测量仪、用于测量波浪流速的波速测量仪和用于产生波浪的造波片，所述的造波片位于波速测量仪和波浪测量仪的后端，且造波片在驱动装置的驱动下转动，通过造波片的转动拨动模型槽内的水产生波浪；

所述的驱动装置包括一个电机，所述的电机驱动一个主动齿轮通过一个传动链条驱动一个从动齿轮，所述的从动齿轮的输出轴上与其同轴安装夹片，所述的夹片通过连接装置连接造波片；

所述的传动链条的内侧安装有调距齿轮，所述的传动链条、调距齿轮、主动齿轮、从动齿轮位于模型槽内侧，三个齿轮处于同一竖直平面上，通过传动链条连接在一起；

所述的调距齿轮通过键固定在轴承上，所述的轴承通过键和螺帽固定在调距轴上；所述的调距轴穿过调距孔通过螺帽固定在模型槽侧壁上，所述的螺帽在模型槽侧壁内外两侧各有一个，内侧的螺帽位于调距齿轮和模型槽侧壁之间，用于固定调距轴。

2.如权利要求1所述的模拟波浪的模型试验装置，其特征在于：通过更换所述的主动齿轮的大小来改变波浪的频率。

3.如权利要求1所述的模拟波浪的模型试验装置，其特征在于：通过调整造波片的长短能改变波浪的幅度。

4.如权利要求1所述的模拟波浪的模型试验装置，其特征在于：通过所述的调距齿轮来调节因更换主动齿轮产生的传动链条的松紧。

5.如权利要求1所述的模拟波浪的模型试验装置，其特征在于：所述的模型槽使用有机玻璃制成或使用混凝土浇筑而成，内部装有水，模型槽能并排的设置多个进行串联，同时进行不同工况试验。

6.如权利要求1所述的模拟波浪的模型试验装置的试验方法，其特征在于：

(1)根据试验方案确定的工况类型确定串联模型槽及模型部件的个数与种类，主动齿轮与从动齿轮的直径应根据波浪频率确定；

(2)将加工好的各个部件安装在所述的模型槽内；

(3)按照相似比确定坝体的坡度与高度，然后在模型槽内填筑坝体，并在坝体内部埋设相应的监测仪器；

(4)向模型槽内注水，水位高低按设计要求而定，注水时应避免水流直接冲刷坝坡；

(5)检查模型部件是否安装正确，如果正确，则转到步骤(6)；

(6)开启低频电动机，使用波浪测量仪、波速测量仪测定波浪要素是否满足设计要求，若不满足设计要求，通过改变电动机频率、更换齿轮大小、伸长或缩短造波片的手段进行调节；

(7)待波浪要素调节完毕后，按照设计要求使波浪作用相应的时间，期间通过埋设在坝坡内的监测仪器测定并记录所需的数据。

7.如权利要求6所述的模拟波浪的模型试验装置的试验方法，其特征在于：

对于多种波浪工况同时进行时，相邻模型槽之间的主动齿轮与从动齿轮的直径应按下式确定：

其中：d₁为主动齿轮直径，d₂为从动齿轮直径，T₁为靠近电动机模型槽内的波浪周期，T₂为远离电动机模型槽内的波浪周期，n_主动齿轮为主动齿轮转速，n_从动齿轮为从动齿轮转速。