CN107833502B - 一种海洋洋流模拟实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一种模拟海洋洋流实验装置及方法，属于实验室模拟海洋流场技术领域。本发明在主流道和上流道，所述的主流道和上流道内设有导流板，所述的导流板可以调节导流角度，所述的上流道通过轴承和挡环与主流道连接，所述的上流道通过传动齿轮组与电机连接，所述的主流道后部设有升降平台，所述的升降平台上设有多孔平台。本发明主要解决了实验室内模拟海洋工程设备在复杂海洋洋流环境下的相似实验。

Description

一种海洋洋流模拟实验装置

技术领域

本发明设计一种模拟海洋洋流实验装置，具体地说设计一种在实验室中模拟海洋流场中存在的不同水深而表现出海水流速、流态不同的特性的实验装置。

背景技术

随着海洋资源开发区域的不断扩大，各类海洋工程设备在工程实践中面临的海洋工况日益严峻。在海洋开发的热点海域比如中国南海、墨西哥湾海域等，半潜式平台、海底采矿以及正在大力研发的海洋天然气水合物开采设备等海工装备都将面临各种极端海况的考验，其中海洋洋流的影响是不可忽视的一个因素。

在海洋等自然水体中流速、流态的分布非常复杂，尤其是海洋中海底的流速、流态与海面流速、流态通常呈现很大差距，这对在这种复杂流场内工作的工程装备的稳定性提出了挑战。在实验室建立能够表现海洋洋流速度随深度不断变化的模拟流场就显得尤为重要。

1932年美国海滩侵蚀管委会(the Beach Erosion Board)建造了世界上第一台规则波波浪水槽，由此展开了实验水槽的研究与应用。法国Sogreah试验所研制的分段式造波机，推动了实验室内波浪发生技术的发展。

目前，国内实验室为模拟这样的洋流实验通常选择建立大型水槽或水池，海洋工程水槽或水池所用的造波设备一般是摇板式造波机或者推板式造波机，占地面积大，建造成本高昂，对于开展海洋工程装备在复杂的洋流环境中的各项性能指标的模拟实验造成了一定的影响。

鉴于上述情况，一个能低成本，高效率地够模拟海洋洋流的工作环境的实验装置对海洋工程装备的开发、制造和测试都有重大意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种海洋洋流模拟实验装置及其使用方法。该装置主要是模拟海洋洋流在不同深度而表现出海水流速、流态不同的特性的实验装置。能够低成本，高效率的模拟洋流流场环境，能低成本的测试海洋工程装备在海洋洋流中受力情况。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种海洋洋流模拟实验装置包括主流道、导流板、可拆卸挡板、轴承、挡环、电机、电机支架、传动齿轮组、上流道、伸缩探针、多孔平台、升降器组、主流道支架、上流道转动支架；主流道由一个大口长方体钢化玻璃管道作为入口通过连接通道连接一个小口长方体钢化玻璃管道；小口长方体钢化玻璃管道中间开有一个圆形开口；若干导流板安装在主流道连接通道内；可拆卸挡板安装在主流道小口长方体管道中间开口上方；轴承安装在主流道小口长方体管道中间开口外部，通过挡环定位，挡环紧贴轴承，通过铆钉固定在主流道小口长方体管道中间管壁外部；电机支架固定在主流道小口长方体管道外部前端；电机竖直安装在电机支架上，驱动上方的传动齿轮组；传动齿轮组的主动轮连接电机，从动轮连接上流道；上流道安装在主流道圆形开口上方；伸缩探针安装在导流板后部一定距离的管道上；升降器组安装在主流道下侧与主流道圆形开口垂直的位置；多孔平台安装在升降器组上方；主流道支架安装在主流道下方；上流道转动支架安装在上流道后端下方。

由于采用了上述结构，主流道入口与供水管道连接，使用离心泵提供稳定速度的水流，根据所需要模拟的实际情况调节离心泵转速从而调节入口水流速度。水流通过导流板的作用速度产生变化，形成流体速度层次变化的流场模拟，海洋洋流的状态。伸缩探针用于测量任意深度的流场流速，在进行实验时可将探针收回，避免对流场造成干扰，影响实验的准确性。上流道可以模拟海洋洋流中某些层段流场流向不同的状态，通过轴承和挡环支撑上流道，并使上流道可以转动。主流道出口连接水箱，水箱同时作为水源向离心泵提供足量的实验用水，整个实验装置实现循环用水，有效降低模拟实验成本。

本发明的海洋洋流模拟实验装置所述的导流板前段与水平方向存在一个角度，角变可以在+90度至-90度之间调节，导流板前段调节到合适角度后可以锁定，保持一个固定角度

由于采用上述结构，使得海洋洋流模拟实验装置主流道入口各个层次的截面面积通过导流板前段的角度调节，根据流体的连续性方程和动量方程推导出截面面积、入口流速与出口流速之间的关系式，便于调节主流道实验区域各个层次的流体的流速。

本发明的海洋洋流模拟实验装置上流道由一个大口长方体钢化玻璃管道和一个小口长方体钢化玻璃管道通过连接通道焊接而成；上流道的连接通道内安装有若干导流板；上流道的小口长方体钢化玻璃管道的中部下方开有圆形开口；上流道的圆形开口与主流道的圆形开口对接；上流道可以围绕圆形开口圆心转动；使用上流道的时候，拆除可拆卸挡板；不使用上流道的时候，安装可拆卸挡板。

由于采用上述结构，使主流道实验对象安装位置上方形成与主流道方向不一致的洋流。上流道内安装有与主流道类似的导流板，促使上流道内形成沿铅垂方向流速逐渐变的流场。上流道由轴承和挡环支撑，便于上流道转动，调整上流道流场方向与主流道流场方向的夹角，模拟现实工况中海洋洋流出现不同层位流向不同的情况，提高模拟实验装置的模拟准确性。其中可拆卸挡板在海洋洋流没有出现流向不同的情况时，安装上避免上流道腔室对主流道的流场的影响。

本发明的海洋洋流模拟实验装置所述的多孔平台由一块宽度略小于主流道宽度的板材制成，板上均匀分布大量M10-M20的螺纹孔，螺纹孔贯穿整个板体。

由于采用上述结构，便于测试的海洋工程设备的安装、调整和拆卸。均匀分布的大量螺纹贯穿孔，利于流体通过板面减小平台对流场的影响，提搞模拟实验装置的准确性。

本发明的海洋洋流模拟实验装置所述的电机可以远程控制转动圈数，驱动传动齿轮组控制上流道与主流道的夹角。

由于采用上述结构，便于智能控制上流道与主流道流场流向夹角，利于实时调节海洋洋流模拟流场的状况，提高模拟实验装置使用效率。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是:

1、本发明主要解决了室内通过模拟实验研究海洋工程设备，在复杂海洋洋流的环境中应力场分布的问题，本发明突破常规思维，巧妙地利用连续介质流体的能量守恒性质，通过导流板的作用促使各个层位的流场速度发生改变，提高了室内模拟海洋洋流的效率，有效降低了海洋工程设备的模拟实验成本，为海洋开发、海洋洋流实验提供了新思路。

2、本发明通过对导流板、上流道的控制调节可以保障模拟各类不同情况的海洋洋流状况，调节方式简单易于操作，使得模拟实验效率高，成本低，能多次重复使用，且构思新额，结构巧妙，寿命长久，可广泛用于实验室模拟海洋洋流实验，适合推广应用。

附图说明

图1为本发明一种海洋洋流模拟实验装置主体的装配剖视图；

图2为主流道与上流道装配位置示意图；

图3为海洋洋流模拟实验装置实施操作图。

图中：1—主流道、1-1—大口长方体钢化玻璃管道、1-2—小口长方体钢化玻璃管道、1-3—连接通道、2—导流板、3—可拆卸挡板、4—轴承、5—挡环、6—电机、7—电机支架、8—传动齿轮组、8-1—主动轮、8-2—从动轮、9—上流道、10—伸缩探针、10-1—流速探针、10-2—伸缩杆、10-3—探针控制器、11—多孔平台、12—升降器组、13—主流道支架、14—上流道转动支架、14-1—支架板、14-2—转动轮。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施做进一步描述。

如图1所示，本发明装置包括:

主流道1、导流板2、可拆卸挡板3、轴承4、挡环5、电机6、电机支架7、传动齿轮组8、上流道9、伸缩探针10、多孔平台11、升降器组12、主流道支架13、上流道转动支架14；其中主流道由一个大口长方体钢化玻璃管道作为入口通过连接通道连接一个小口长方体钢化玻璃管道；小口长方体钢化玻璃管道中间开有一个圆形开口；若干导流板安装在主流道连接通道内；可拆卸挡板安装在主流道小口长方体管道中间开口上方；轴承安装在主流道小口长方体管道中间开口外部，通过挡环定位；挡环紧贴轴承，通过铆钉固定在主流道小口长方体管道中间管壁外部；电机支架固定在主流道小口长方体管道前部；电机竖直安装在电机支架上，驱动上方的传动齿轮组；传动齿轮组的主动轮连接电机，从动轮连接上流道；上流道安装在主流道圆形开口上方。

通过调节导流板前端的角度从而改变流道造型，利用流体的能量守恒定律达到改变海洋洋流模拟实验装置的流道中流体流速的效果。

如图1和2所示，上流道安装在主流道圆形开口上方，通过轴承、挡环于主流道连接，上流道主体顶部固定有传动齿轮配合电机的传动齿轮，控制并调整主流道与上流道之间的角度，上流道后端连接转动支架，达到支撑上流道便于上流道转动的效果。

如图1和3所示，利用水泵向主流道和上流道的入口泵送流体，需要测试的海洋工程设备固定在多孔平台上，控制升降器组调整测试设备的姿态，下放伸缩探针监测主流道流场情况，等待主流道内流场稳定并达到需要模拟的海洋洋流的情况之后，收起伸缩探针，通过数据采集终端读取测试设备的信息，流体经过海洋洋流模拟实验装置后排放到水箱供水泵继续使用。在整个实验过程中由控制和数据采集终端对整个实验装置进行实时的控制和实验数据的采集。

本发明说明书未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种海洋洋流模拟实验装置，其特征在于：该模拟实验装置包括主流道(1)、导流板(2)、可拆卸挡板(3)、轴承(4)、挡环(5)、电机(6)、电机支架(7)、传动齿轮组(8)、上流道(9)、伸缩探针(10)、多孔平台(11)、升降器组(12)、主流道支架(13)、上流道转动支架(14)；所述主流道(1)由一个大口长方体钢化玻璃管道(1-1)作为入口通过连接通道(1-3)连接一个小口长方体钢化玻璃管道(1-2)；所述小口长方体钢化玻璃管道(1-2)中间开有一个圆形开口；若干导流板(2)安装在主流道(1)连接通道(1-3)内；所述可拆卸挡板(3)安装在主流道(1)小口长方体管道(1-2)中间开口上方；轴承(4)安装在主流道(1)小口长方体管道(1-2)中间开口外部，通过挡环(5)定位；挡环(5)紧贴轴承，通过铆钉固定在主流道(1)小口长方体管道(1-2)中间管壁外部；电机支架(7)固定在主流道(1)小口长方体管道(1-2)外部前端；电机(6)竖直安装在电机支架上，驱动上方的传动齿轮组(8)；传动齿轮组(8)的主动轮(8-1)连接电机(6)，从动轮(8-2)连接上流道(9)；上流道(9)安装在主流道(1)圆形开口上方；所述伸缩探针(10)由流速探针(10-1)、伸缩杆(10-2)、探针控制器(10-3)组成；所述伸缩探针(10)安装在导流板(2)后部一定距离的管道(1-2)上；所述升降器组(12)安装在主流道(1)下侧与主流道(1)圆形开口垂直的位置；所述多孔平台(11)安装在升降器组(12)上方；主流道支架(13)安装在主流道(1)下方；所述上流道转动支架(14)由支架板(14-1)和转动轮(14-2)组成；上流道转动支架(14)安装在上流道(9)后端下方；所述导流板(2)前段与水平方向存在一个角度，角度可以在+90度至-90度之间调节，导流板(2)前段调节到合适角度后可以锁定，保持一个固定角度；所述上流道(9)由一个大口长方体钢化玻璃管道和一个小口长方体钢化玻璃管道通过连接通道焊接而成；上流道(9)的连接通道内安装有若干导流板；上流道(9)的小口长方体钢化玻璃管道的中部下方开有圆形开口；上流道(9)的圆形开口与主流道的圆形开口对接；使用上流道(9)的时候，拆除可拆卸挡板(3)，因上流道(9)可以围绕圆形开口圆心转动，通过旋转上流道(9)至某一角度，使主流道实验对象安装位置上方形成与主流道方向不一致的洋流，可模拟现实工况中海洋洋流出现不同层段流向不同的情况；不使用上流道(9)的时候，安装可拆卸挡板(3)，避免上流道腔室对主流道腔室的影响。

2.如权利要求1所述的一种海洋洋流模拟实验装置，其特征在于：所述多孔平台(11)由一块宽度略小于主流道(1)宽度的板材制成，板上均匀分布大量M10-M20的螺纹孔，螺纹孔贯穿整个板体。

3.如权利要求1所述的一种海洋洋流模拟实验装置，其特征在于：所述电机(6)可以远程控制转动圈数，驱动传动齿轮组(8)控制上流道与主流道的夹角。

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