CN106940245A - 一种船模水池风载荷模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种船模水池风载荷模拟装置，包括桁架结构、风载荷模拟器、升降机构、拖车连接架，桁架结构横跨在船模试验水池轨道上，为风载荷模拟器、升降机构、拖车连接架提供主要支撑，桁架结构底端设有滑动装置，可以使整个装置能够沿水池长度方向上水平运动；风载荷模拟器包括动力段、弯管段、整流段、阻尼网、收缩段、平稳段组成，升降机构可以调节风载荷模拟器的高度位置以适应不同模型试验所需要的风载荷需求；拖车连接架使得船模水池风载荷模拟装置与拖车相互连接，可以研究船模在航行状态下计及风载荷时的性能。本发明结构简单，使用方便，易于生产制造，为研究船模在风浪流环境下的性能提供了便利，提高了实船性能预报精度。

Description

一种船模水池风载荷模拟装置

技术领域

本发明涉及一种船模水池风载荷模拟装置，属于船模试验水池风载荷模拟技术领域。

背景技术

船舶风载荷对船舶航行性能、操纵性能有较大的影响。在船舶港湾作业、驳船顶推作业、船舶港口系泊和动力定位等特殊工况下，船舶风载荷的影响更显重要。同时，随着绿色船型研究逐步深入，IMO提出的新船能效设计指数(EEDI)的逐步实施，风载荷研究越来越多地走进业内人士的视野。

当前，船舶风载荷的计算方法主要包括风洞试验测量、经验公式估算和数值建模计算。风洞试验是目前获得风载荷最为准确的方法，但是具有试验成本高、试验周期长等缺点，对每一条船均进行风洞试验是不切实际的。使用经验公式和数值计算的方法会受到船模类型及模型尺度的影响使得其应用范围受到限制。本发明能够在船模试验时对风载荷进行精确模拟，对船舶性能的研究有一定的促进作用。

发明内容

本发明的目的是为了提供一种船模水池风载荷模拟装置，结构设计简单，成本较低，能够有效的进行船模风载荷模拟，实现了安全性与经济性的统一。

本发明的目的是这样实现的：包括桁架结构、升降机构、风载荷模拟器、拖车连接架，所述桁架结构包括桁主体和对称设置在桁架主体两侧下端的滑动装置，且桁架结构通过滑动装置安装在水池上的导轨上，所述升降机构有两组且每组升降机构包括安装在桁架下端面上的电机控制箱、安装在电机控制箱输出端的主动轮、同时与主动轮啮合的两个从动轮、与两个从动轮轴连接的螺旋杆和安装在螺旋杆上的连接块，所述风载荷模拟器是由动力段、与动力段端部连接的弯管段、与弯管段端部连接的整流段、与整流段端部连接的收缩段和与收缩段连接的平稳段拼接而成，且动力段位于整流段、收缩段、平稳段的上方，所述收缩段是可伸缩的套管，所述平稳段端部的内壁上设置有四个皮托管或速度传感器，风载荷模拟器的动力段设置在桁架结构上设置的风载荷模拟器支撑架上，风载荷模拟器的下方的整流段、收缩段设置在四个连接块之间，所述拖车连接架包括连接板和与连接板垂直连接的连接杆，所述连接板位于桁架结构的端面上。

本发明还包括这样一些结构特征：

1.所述滑动装置包括设置下导轨正上方的滑动轮和对称设置在导轨两侧的辅助轮。

2.所述动力段内设置有电机设备和螺旋桨阵；所述整流段内设置有阻尼网；所述弯管段是圆形圆管或直角弯管，且在弯管段的弯管处设置有导流片。

3.所述导流片的剖面形状是机翼型或圆弧型或圆弧直边型。

4.所述阻尼网上设置的空隙阵列的截面形状是是圆形阵列或是正五边形阵列或三角形阵列。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结构简单，使用方便，易于生产制造，为研究船模在风浪流环境下的性能提供了便利，提高了实船性能预报精度；该装置适合各类型的船模试验水池，应用前景广泛。本发明的桁架结构横跨在船模试验水池轨道上，为风载荷模拟器、升降机构、拖车连接架提供主要支撑，桁架结构底端设有滑动装置，可以使整个装置能够沿水池长度方向上水平运动；风载荷模拟器是船模水池风载荷模拟装置的核心组成部分，其包括动力段、弯管段、整流段、阻尼网、收缩段、平稳段组成，在弯管段设有导流片以及整流段设有整流网和阻尼网用来保证风向稳定以及改善风流的湍流度，收缩段用来加速使风速达到预计目标，出风口处设有四个皮托管或速度传感器用来监测风速大小变化；升降机构可以调节风载荷模拟器的高度位置以适应不同模型试验所需要的风载荷需求；拖车连接架使得船模水池风载荷模拟装置与拖车相互连接，可以研究船模在航行状态下计及风载荷时的性能。

附图说明

图1是本发明的船模水池风载荷模拟装置整体结构示意图；

图2a、图2b、图2c分别是本发明的船模水池风载荷模拟装置主视方向示意图、侧视方向示意图、俯视方向示意图；

图3是本发明的桁架结构示意图；

图4a和图4b分别是本发明的风载荷模拟器主视方向示意图和立体图；

图5是本发明的动力段螺旋桨阵的示意图；

图6a、图6b、图6c分别是本发明的弯管段导流装置的三种剖面图；

图7是本发明的整流段圆孔整流箱的示意图；

图8是本发明的收缩段相关参数图；

图9是本发明的平稳段出口测速仪器布置图；

图10是本发明的升降机构结构示意图。

图中：1.桁架结构、2.风载荷模拟器、3.升降机构、4.拖车连接架、5.导轨、6.桁架主体、7.风载荷模拟器支撑架、8.滑动装置、9.滑动轮、10.辅助轮、12.动力段、13弯管段、14.整流段和阻尼网、15.收缩段、16.平稳段、17.皮托管或速度传感器、18.螺旋杆、19.连接块、20.升降机控制箱、21.电机输出端、22.主动轮、23.从动轮。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

结合图1至图10，本发明包括桁架结构1、风载荷模拟器2、升降机构3、拖车连接架4。所述桁架结构横跨在船模试验水池轨道5上，为风载荷模拟器、升降机构、拖车连接架提供主要支撑，所述桁架结构由桁架主体(支撑架)6和滑动装置组成8，可以为整个装置提供支撑，并可以使整个装置能够沿水池长度方向上水平运动，滑动装置是由一个滚动轮9和两个辅助轮10组成；滚动轮可以使装置水平移动，辅助轮用来保证桁架结构两侧在移动时保持平行；风载荷模拟器是船模水池风载荷模拟装置的核心组成部分，其包括动力段12、弯管段13、整流段14、阻尼网、收缩段15、平稳段16，所述动力段由电机设备、螺旋桨阵组成，为风载荷模拟器提供风源；所述弯管段是可伸缩套管，与升降机构相互配合，使得风载荷模拟器在垂直方向上伸缩幅度可以达到1m，且弯管段可以设置成圆形弯管和直角弯管，在弯管段设有导流片，导流片剖面形状可以是机翼型、圆弧型、圆弧直边型；整流段设有整流网和阻尼网用来保证风向稳定以及改善风流的湍流度，流箱或阻尼网剖面空隙可以是圆形、正五边形、三角形；所述收缩段为加速段，通过设置收缩段剖面曲线形式可以使风速达到预设速度，也即收缩段用来加速使风速达到预计目标，所述平稳段为一段平行装置，其宽度与水池宽度之比为1/2，出风口处设有四个皮托管17或速度传感器用来监测风速大小变化；升降机构可以调节风载荷模拟器的高度位置以适应不同模型试验所需要的风载荷需求，且所述升降机构3有两组且每组升降机构包括安装在桁架下端面上的电机控制箱20、安装在电机控制箱输出端21的主动轮22、同时与主动轮啮合的两个从动轮23、与两个从动轮轴连接的螺旋杆18和安装在螺旋杆上的连接块19；拖车连接架由连接板和连接杆组成，拖车连接架4使得船模水池风载荷模拟装置与拖车相互连接，可以研究船模在航行状态下计及风载荷时的性能，提高了实船性能预报精度。

风载荷模拟装置相关结构组成及其有关参数介绍：

如图3所示，桁架结构中的滑动装置在风载荷模拟装置与拖车相连接后可以进行拆卸，避免在行进过程中与导轨发生摩擦碰撞；

如图5所示，风载荷模拟器中动力段布置有风源发生器即螺旋桨阵，由四个螺旋桨排成一列组成，其个数与布置方式可依据实际需要而进行适当更改；

风载荷模拟器中弯管段的形式可以是直角形或圆弧形，并能够在垂直方向上进行伸缩，其伸缩范围可达1m；由于风流在经过弯管处方向会发生变化，甚至可能会有二次流的产生，因此在弯管处布置有导流装置，如图6a、图6b和图6c所示，其剖面形式可以是机翼型(图6a)、圆弧型(图6b)、圆弧直边型(图6c)，其作用是将来流的方向变为与实验所需风向一致，并能减小二次流的发生；

如图7所示，风载荷模拟器中整流段设有整流箱和阻尼网，其作用主要是继续修正来流的方向并能改善来流的湍流度；

如图8所示，本发明的风载荷模拟器中收缩段主要是为了给来流提供一个加速的过程，通过设置收缩曲线相关参数，可以使来流达到预计风速；其收缩曲线表达式可为：

维式曲线：

五次曲线：

双三次曲线：

其中：N为收缩段的收缩比；L为收缩段的长度；X为收缩曲线某一位置轴向长度；x_m为收缩段收缩曲线中前后段长度比；

如图9所示，风载荷模拟器中平稳段为来流提供出口，在平稳段的壁面上安装四个皮托管或速度传感器，为速度的测量和反馈提供依据

本发明的工作过程是：通过桁架结构1中的滑动装置8将风载荷模拟装置移动到水池某一固定位置处，然后调节升降机构3，升降机构3通过连接块19与风载荷模拟器相连使得风载荷模拟器出风口到达试验所需高度位置；启动模拟器的动力段12产生风源，然后经过弯管段13、整流段和阻尼网14、收缩段15、平稳段16，出风口处设有四个皮托管或速度传感器用来监测风速大小变化，最终产生船模试验所需要的风载荷；拖车连接架4使得船模水池风载荷模拟装置与拖车相互连接，可以研究船模在航行状态下计及风载荷时的性能，提高了实船性能预报精度。

综上，本发明是一种新型风载荷发生装置，将桁架结构固定在水池某一位置处，通过调节升降机构使得出风口达到试验所需高度位置，启动电机设备至某一功率使得螺旋桨转动产生风源，由弯管处导流使得风速方向变为沿着轴向传递并减少二次流的产生，再经整流段内的整流箱和阻尼网更好的修正风向并能改善风流的湍流度，然后通过收缩段对风流进行加速达到预计风速；该装置还可以通过拖车连接架固定在拖车上与拖车同步行驶进行相关试验。

Claims (6)

1.一种船模水池风载荷模拟装置，其特征在于：包括桁架结构、升降机构、风载荷模拟器、拖车连接架，所述桁架结构包括桁主体和对称设置在桁架主体两侧下端的滑动装置，且桁架结构通过滑动装置安装在水池上的导轨上，所述升降机构有两组且每组升降机构包括安装在桁架下端面上的电机控制箱、安装在电机控制箱输出端的主动轮、同时与主动轮啮合的两个从动轮、与两个从动轮轴连接的螺旋杆和安装在螺旋杆上的连接块，所述风载荷模拟器是由动力段、与动力段端部连接的弯管段、与弯管段端部连接的整流段、与整流段端部连接的收缩段和与收缩段连接的平稳段拼接而成，且动力段位于整流段、收缩段、平稳段的上方，所述收缩段是可伸缩的套管，所述平稳段端部的内壁上设置有四个皮托管或速度传感器，风载荷模拟器的动力段设置在桁架结构上设置的风载荷模拟器支撑架上，风载荷模拟器的下方的整流段、收缩段设置在四个连接块之间，所述拖车连接架包括连接板和与连接板垂直连接的连接杆，所述连接板位于桁架结构的端面上。

2.根据权利要求1所述的一种船模水池风载荷模拟装置，其特征在于：所述滑动装置包括设置下导轨正上方的滑动轮和对称设置在导轨两侧的辅助轮。

3.根据权利要求1或2所述的一种船模水池风载荷模拟装置，其特征在于：所述动力段内设置有电机设备和螺旋桨阵；所述整流段内设置有阻尼网；所述弯管段是圆形圆管或直角弯管，且在弯管段的弯管处设置有导流片。

4.根据权利要求3所述的一种船模水池风载荷模拟装置，其特征在于：所述导流片的剖面形状是机翼型或圆弧型或圆弧直边型。

5.根据权利要求3所述的一种船模水池风载荷模拟装置，其特征在于：所述阻尼网上设置的空隙阵列的截面形状是是圆形阵列或是正五边形阵列或三角形阵列。

6.根据权利要求4所述的一种船模水池风载荷模拟装置，其特征在于：所述阻尼网上设置的空隙阵列的截面形状是是圆形阵列或是正五边形阵列或三角形阵列。