CN105004503B - 自升式海洋平台风载荷系数测试实验系统 - Google Patents

自升式海洋平台风载荷系数测试实验系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种自升式海洋平台风载荷系数测试实验系统，包括实验平台、监测平台和控制平台，实验平台包括模拟风场通道、大气边界层模拟装置和风流发生装置；模拟风场通道包括通风管道和设置在通风管道内的海洋平台模型；大气边界层模拟装置包括动量亏损装置、侧向混合装置和地面粗糙元；风流发生装置包括鼓风机和导流网板；监测平台包括风力、风压和风速信号采集及处理单元；控制平台包括用于控制所述鼓风机电机的输出功率从而在不同功率下产生不同风速梯度的风流的鼓风机控制单元和用于对来自监测平台的信号进行实时采集、处理分析和显示的数据采集及处理单元。

Description

自升式海洋平台风载荷系数测试实验系统
技术领域
本发明涉及风载荷测试技术，尤其是一种自升式海洋平台风载荷系数测试实验系统。
背景技术
自升式海洋平台在复杂多变的海洋自然环境中，将受到风、海浪、海流以及海冰形成的载荷作用，其中风载荷是结构设计最主要的控制载荷，它在所有环境载荷中所占比重最大。风载荷的大小直接关乎平台工作状态下的安全,在风载荷的作用下,平台结构可能因为应力过高而发生屈服破坏,同时由于风载荷的动力交变作用还会使平台发生疲劳破坏。因此，风载荷的准确预报对平台的安全性及经济性具有重要的意义，为了确保平台在恶劣海洋环境条件下的安全及作业性能，必须进行不同海洋环境条件下风载荷对平台影响的分析研究，即风载荷系数测试实验研究。
进行风载荷系数测试实验，是为了得出不同海洋环境条件下自升式海洋平台的风载荷系数，即形状系数Cs，以得到风载荷对海洋平台的影响，为平台的初期设计与维护提供依据。
目前国内外研究海洋平台风载荷的常用方法主要有现场观测、数值模拟和风洞实验。我国目前缺少相关的海洋平台风载荷现场观测数据，风洞实验虽然是平台风载荷确定的有效手段，但实验成本一般较为高昂，不适合在设计初期使用。
发明内容
本发明提供一种自升式海洋平台风载荷系数测试实验系统，用于克服现有技术中的缺陷，大大降低了实验成本。
本发明提供一种自升式海洋平台风载荷系数测试实验系统，包括：
实验平台，包括模拟风场通道、大气边界层模拟装置和风流发生装置；所述模拟风场通道包括通风管道和设置在所述通风管道内的海洋平台模型；所述大气边界层模拟装置包括动量亏损装置、侧向混合装置和地面粗糙元；所述风流发生装置包括鼓风机和设置在所述鼓风机出口的导流网板；
监测平台，用于采集不同风速梯度及不同风向角的风载荷作用下的所述海洋平台模型响应的数据信号；包括风力信号采集及处理单元、风压信号采集及处理单元和风速信号采集及处理单元；
控制平台，用于所述实验平台的控制运行以及实验数据的采集分析；包括用于控制所述鼓风机电机的输出功率从而在不同功率下产生不同风速梯度的风流的鼓风机控制单元和用于对来自于所述监测平台的信号进行实时采集、处理分析和显示的数据采集及处理单元。
优选地，所述模拟风场通道还包括固定设置在所述通风管道内的支架和设置在所述支架上的用于调整海洋平台模型迎风面角度的转盘。
优选地，所述风力信号采集及处理单元为放置在所述海洋平台模型下方的五分力基座天平。
优选地，所述风压信号采集及处理单元为电子压力扫描阀。
优选地，所述风速信号采集及处理单元为热线热模风速仪。
本发明提供的自升式海洋平台风载荷系数测试实验系统，通过海洋平台模型、鼓风机、涡流发生器等装置搭建风载荷模拟风场测试实验平台，采用五分力基座天平、电子压力扫描阀和热线热模风速仪等监测风载荷作用过程中平台的特征参数信息，建立这些特征参数与风载荷之间的内在联系，得出自升式海洋平台的风载荷系数Cs，从而大大降低实验成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的实验系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的实验系统中电子压力扫描阀的布置示意图。
具体实施方式
参见图1、图2，本发明实施例提供一种自升式海洋平台风载荷系数测试实验系统，包括：
实验平台，包括模拟风场通道、大气边界层模拟装置和风流发生装置；
模拟风场通道包括通风管道1和设置在通风管道1内的海洋平台模型2；其中，模拟风场通道还包括固定设置在通风管道1内的支架3和设置在支架3上的用于调整海洋平台模型2迎风面角度的转盘4，转盘4安装在支架3上，五分力基座天平5安装在转盘4上，海洋平台模型2安装在五分力基座天平5上；本实施例中的模拟风道1采用方形管道；
大气边界层模拟装置包括侧向混合装置6、动量亏损装置7和地面粗糙元8；侧向混合装置7包括涡流发生器，调整以上三部分的尺寸及相对距离，经过动量亏损装置和侧向混合装置来对流“粗”加工后，使局部严重受损的气流逐渐平滑下来，涡流损失也将随高度变化，同时获得所要求的风速剖面和湍流结构，实现流速沿高度变化；同时，将海洋平台模型放于旋转的转盘4上，通过转动可以调整海洋平台模型迎风面角度，测试不同风向角对海洋平台模型的影响，以达到模拟真实环境载荷的效果；
风流发生装置包括鼓风机10和设置在鼓风机10出口的导流网板9；通过鼓风机与导流网板组成的风流发生装置，制造出不同风速梯度的均匀风流；
监测平台，用于采集不同风速梯度及不同风向角的风载荷作用下的海洋平台模型2响应的数据信号；包括风力信号采集及处理单元、风压信号采集及处理单元和风速信号采集及处理单元；
风力信号采集及处理单元为放置在海洋平台模型2下方的五分力基座天平5，用于采集风载荷作用过程中风力的数据信号。
风压信号采集及处理单元为压力传感器，本实施例压力传感器采用电子压力扫描阀12，用于进行模拟风场内海洋平台模型各构件多点压力的测量和数据采集。
参见图2，电子压力扫描阀12位置布置说明：布置六个风压传感器测点，是为了测得海洋平台缩尺模型各构件在风载荷作用下的风压大小，从而研究平台各构件的风载荷系数。在悬臂梁21上、井架22上、桩腿23上、克令吊24、平台甲板25、直升机起降台26上各设置一个电子压力扫描阀12。
风速信号采集及处理单元为风速传感器，本实施例中风速传感器采用热线热模风速仪11，用于进行实验过程中模拟风场内海洋平台模型2各构件多点风速的测量和数据采集。
参见图1，热线热模风速仪11布置位置说明：导流网板9左侧的位置布置四个风速传感器(即热线热模风速仪11)，即四个测点，呈正方形顶点分布，为了测得由鼓风机10制造出的风流经过导流网板9形成的均匀风场，是否为一个同速的风速剖面。侧向混合装置6左侧的位置沿不同高度布置三个风速传感器(即热线热模风速仪11)测点，是为了测得均匀风流经过大气边界层模拟装置，风速是否沿高度变化。
控制平台，用于实验平台的控制运行以及实验数据的采集分析；包括用于控制鼓风机电机的输出功率从而在不同功率下产生不同风速梯度的风流的鼓风机控制单元和用于对来自于监测平台的信号进行实时采集、处理分析和显示的数据采集及处理单元。
通过系统内部的软件将实验平台上各部位的传感器信号实时的采集进计算机，然后通过内部程序将采集到的各种类型的传感器信号做相应的处理分析，最后显示在数据采集界面上数据采集类型主要包括风力信号、风压信号、风速信号(如波形、幅频图等)；计算机内部程序中的计算公式如下：
1、风压计算公式：P＝0.613v2
2、作用在构件上的风力：F＝Ch·Cs·S·P
式中：F为风力，由五分力基座天平测得；P为风压，可由电子压力扫描阀测得；V为风速，可由热线热模风速仪测得；S为平台在平浮或倾斜状态时，受风构件的正投影面积；Ch为暴露在风中构件的高度系数，其值可根据构件高度h选取；Cs为暴露在风中构件的形状系数,即为所测试的风载荷系数。
3、风速随高度的分布：
v10为海平面以上10m高度处的风速。此风速高度梯度变化即由动量亏损装置、侧向混合装置(包括涡流发生器)、地面粗糙元组成的大气边界层模拟装置模拟。
由上面三式推导出各构件的形状系数Cs：
通过对实验数据的归纳总结，可以得出不同风速、不同风向角、平台不同构件与平台风载荷系数之间的关系，构建起完整的风载荷系数与外部影响参数之间的关系模型。

Claims (2)

1.一种自升式海洋平台风载荷系数测试实验系统，其特征在于，包括：
实验平台，包括模拟风场通道、大气边界层模拟装置和风流发生装置；所述模拟风场通道包括通风管道和设置在所述通风管道内的海洋平台模型；所述大气边界层模拟装置包括动量亏损装置、侧向混合装置和地面粗糙元；所述风流发生装置包括鼓风机和设置在所述鼓风机出口的导流网板；
监测平台，用于采集不同风速梯度及不同风向角的风载荷作用下的所述海洋平台模型响应的数据信号；包括风力信号采集及处理单元、风压信号采集及处理单元和风速信号采集及处理单元；
控制平台，用于所述实验平台的控制运行以及实验数据的采集分析；包括用于控制所述鼓风机电机的输出功率从而在不同功率下产生不同风速梯度的风流的鼓风机控制单元和用于对来自于所述监测平台的信号进行实时采集、处理分析和显示的数据采集及处理单元；
所述风力信号采集及处理单元为放置在所述海洋平台模型下方的五分力基座天平；
所述风压信号采集及处理单元为电子压力扫描阀；
所述风速信号采集及处理单元为热线热模风速仪。
2.根据权利要求1所述的自升式海洋平台风载荷系数测试实验系统，其特征在于，所述模拟风场通道还包括固定设置在所述通风管道内的支架和设置在所述支架上的用于调整海洋平台模型迎风面角度的转盘。
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