CN108766188A - 一种测量自由液面效应的实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种测量自由液面效应的实验装置及方法，该实验装置包括：水槽，在水槽内盛有液体，用于对船体模型进行实验；船体模型，船体模型的货舱区域内设有至少两块纵向隔板，纵向隔板与隔板驱动装置传动连接，隔板驱动装置带动纵向隔板实现自动展开与收回；压力传感器，多个压力传感器均匀设置于船体模型的船体舷侧外板上，且压力传感器与分析控制装置电连接；分析控制装置，用于控制隔板驱动装置动作。相较于传统采用理论教学对自由液面对船舶稳性不利影响进行教学的方式，通过本申请公开的实验装置进行实验教学，更加简单直观深入，帮助学生透彻理解自由液面侧存在会降低船舶的稳性，同时掌握其具体的应对措施设置纵向舱壁的合理性。

Description

一种测量自由液面效应的实验装置及方法

技术领域

本发明具体涉及一种测量自由液面效应的实验装置及方法。

背景技术

船舶在外力作用下偏离其平衡位置而倾斜，当外力消失后能够自行恢复到原来平衡位置的能力称为船舶的稳性。船舶稳性作为船舶的重要性能之一对船舶的安全至关重要。然而船上自由液面的存在对船舶的稳性非常不利。

那什么是自由液面呢？船上设有淡水舱、燃油舱、压载水舱等舱柜，运输液体货物即液货舱，如果舱内液体没有装满，那么船舶在倾斜时，舱内的液体也将流向一舷，且液面保持与水面平行，这种可以自由流动的液面称为自由液面。同时当液体流动后，液体体积的形状发生变化，重心向倾斜一侧移动，因而产生一个额外的倾斜力矩，其结果是降低船舶的稳性。

所以需要采取措施降低自由液面的不利影响，具体措施就是在液货舱内部设置纵向舱壁，例如油轮、液货船都会设置一道至两道纵向舱壁，纵舱壁的设置有制荡作用，可以减少自由液面的不利影响，而且纵向舱壁数量设置越多不利影响就越小。

在日常的教学中，主要以理论推导为主，根据数学模型建立方程通过方程求出问题的解析解。因此采用理论分析讲解船上自由液面的不利影响以及其具体的应对措施，学生学起来费力又不易理解。因此考虑采用实验教学，希望通过这种能够测量自由液面效应的实验船舶来帮助学生加深对自由液面效应不利性的认识，同时理解设置纵向舱壁可以降低其不利影响这一举措的合理性。通过实验装置讲解简单直观深入，然而现阶段并没有相关的专业教学设备。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种测量自由液面效应的实验装置及方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种测量自由液面效应的实验装置，包括：

水槽，在水槽内盛有液体，用于对船体模型进行实验；

船体模型，船体模型的货舱区域内设有至少两块纵向隔板，纵向隔板与隔板驱动装置传动连接，隔板驱动装置带动纵向隔板实现自动展开与收回；

压力传感器，多个压力传感器均匀设置于船体模型的船体舷侧外板上，且压力传感器与分析控制装置电连接；

分析控制装置，分析控制装置与隔板驱动装置电连接，用于控制隔板驱动装置动作。

相较于传统采用理论教学对自由液面对船舶稳性不利影响进行教学的方式，通过本申请公开的测量自由液面效应的实验装置进行实验教学，结合与之相关的专业教学设备，更加简单直观深入，帮助学生透彻理解自由液面侧存在会降低船舶的稳性，同时掌握其具体的应对措施设置纵向舱壁的合理性。

在上述技术方案的基础上，还可做如下改进：

作为优选的方案，测量自由液面效应的实验装置还包括：造波机，造波机设置于水槽，用于制造波浪；

造波机与分析控制装置电连接，分析控制装置控制造波机动作。

采用上述优选的方案，在水槽内模拟波浪，使其实验更生动，更符合真实液面情况。

作为优选的方案，测量自由液面效应的实验装置还包括：鼓风机，用于制造风力；

鼓风机与分析控制装置电连接，分析控制装置控制鼓风机动作。

采用上述优选的方案，在水槽内模拟风力，使其实验更生动，更符合真实液面情况。

作为优选的方案，纵向隔板为滚卷式隔板，且隔板驱动装置为电机，电机带动齿轮驱动纵向隔板展开和收回。

采用上述优选的方案，结构简单，更便于收纳和使用。

作为优选的方案，在纵向隔板的端底部设置有密封接头，在船体模型的底部设有与密封接头相匹配的密封槽；

当纵向隔板展开到位后，其端底部的密封接头与密封槽卡接。

采用上述优选的方案，纵向隔板展开后，连接更牢固。

作为优选的方案，密封接头包括：设置于纵向隔板端部的第一连接柱以及设置于第一连接柱端面的第二连接柱，密封槽也包括：分别与第一连接柱和第二连接柱相匹配的第一柱槽和第二柱槽。

采用上述优选的方案，密封效果更佳，且定位更准确。

作为优选的方案，在第二连接柱内设有第一磁石，且在第二柱槽底部也设有与第一磁石极性相反的第二磁石。

采用上述优选的方案，密封效果更佳。

作为优选的方案，在纵向隔板的两侧部设置有间隔分布的连接凸起和连接凹槽，在船体模型的侧壁上也设有分别与其匹配连接的定位凹槽和定位凸起；

当纵向隔板展开到位后，其连接凸起、连接凹槽与定位凹槽和定位凸起匹配连接。

采用上述优选的方案，展开后的纵向隔板稳定性更佳。

作为优选的方案，当纵向隔板收回时，收纳于隔板壳体内，且在隔板壳体外套设有保护套，且保护套依次包括：外防水层、中充气层以及内连接层；

外防水层用于实现防水；

中充气层内设有充气腔，用于实现对隔板壳体的防护；

内连接层用于与隔板壳体实现可拆卸式连接。

采用上述优选的方案，可以有效对隔板壳体进行保护，进而对其内部的纵向隔板进行保护。

测量自由液面效应的实验方法，利用测量自由液面效应的实验装置进行实验，具体包括以下步骤：

1)将船体模型放置在水槽中，船体模型的货舱区域内装载液体，分析控制装置通过压力传感器获取压力数据，得到船体模型外板的受压情况；

2)分析控制装置控制隔板驱动装置动作，隔板驱动装置带动一块纵向隔板展开，分析控制装置通过压力传感器获取压力数据，得到船体模型外板的受压情况；

3)分析控制装置控制隔板驱动装置动作，隔板驱动装置带动至少两块纵向隔板展开，分析控制装置通过压力传感器获取压力数据，得到船体模型外板的受压情况。

利用本身申请公开的测量自由液面效应的实验方法进行实验教学，更形象生动，便于学生理解掌握。

附图说明

图1为本发明实施例提供的船体模型的局部结构示意图。

图2为本发明实施例提供的船体模型的仰视图。

图3为本发明实施例提供的水槽的结构示意图。

图4为本发明实施例提供的船体模型的侧视图之一。

图5为本发明实施例提供的船体模型的侧视图之二。

图6为本发明实施例提供的船体模型的侧视图之三。

图7为本发明实施例提供的纵向隔板的主视图。

图8为本发明实施例提供的纵向隔板的侧视图。

图9为本发明实施例提供的保护套的剖视图。

其中：1水槽、2船体模型、3纵向隔板、31第一连接柱、32第二连接柱、33连接凸起、34连接凹槽、4压力传感器、5造波机、6鼓风机、7隔板壳体、8保护套、81外防水层、82中充气层、83内连接层。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。

为了达到本发明的目的，一种测量自由液面效应的实验装置及方法的其中一些实施例中，

如图1-3所示，一种测量自由液面效应的实验装置，包括：

水槽1，在水槽1内盛有液体，用于对船体模型2进行实验；

船体模型2，船体模型2的货舱区域内设有三块纵向隔板3，纵向隔板3与隔板驱动装置(图中未示出)传动连接，隔板驱动装置带动纵向隔板3实现自动展开与收回；

压力传感器4，多个压力传感器4均匀设置于船体模型2的船体舷侧外板上，且压力传感器4与分析控制装置电连接；

分析控制装置(图中未示出)，分析控制装置与隔板驱动装置电连接，用于控制隔板驱动装置动作。

相较于传统采用理论教学对自由液面对船舶稳性不利影响进行教学的方式，通过本申请公开的测量自由液面效应的实验装置进行实验教学，结合与之相关的专业教学设备，更加简单直观深入，帮助学生透彻理解自由液面侧存在会降低船舶的稳性，同时掌握其具体的应对措施设置纵向舱壁的合理性。

测量自由液面效应的实验方法，利用测量自由液面效应的实验装置进行实验，具体包括以下步骤：

1)如图4所示，将船体模型2放置在水槽1中，船体模型2的货舱区域内装载液体，分析控制装置通过压力传感器4获取压力数据，得到船体模型2外板的受压情况；

2)如图5所示，分析控制装置控制隔板驱动装置动作，隔板驱动装置带动一块纵向隔板3展开，分析控制装置通过压力传感器4获取压力数据，得到船体模型2外板的受压情况；

3)如图6所示，分析控制装置控制隔板驱动装置动作，隔板驱动装置带动至少两块纵向隔板3展开，分析控制装置通过压力传感器4获取压力数据，得到船体模型2外板的受压情况。

利用本身申请公开的测量自由液面效应的实验方法进行实验教学，更形象生动，便于学生理解掌握。

为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，测量自由液面效应的实验装置还包括：造波机5，造波机5设置于水槽1，用于制造波浪；

造波机5与分析控制装置电连接，分析控制装置控制造波机5动作。

采用上述优选的方案，在水槽1内模拟波浪，使其实验更生动，更符合真实液面情况。造波机5可以制造不同方向、不同强度的波浪。

进一步，测量自由液面效应的实验装置还包括：鼓风机6，用于制造风力；

鼓风机6与分析控制装置电连接，分析控制装置控制鼓风机6动作。

采用上述优选的方案，在水槽1内模拟风力，使其实验更生动，更符合真实液面情况。

测量自由液面效应的实验方法，进一步，具体包括以下步骤：

1)将船体模型2放置在水槽1中，船体模型2的货舱区域内装载液体，造波机5和鼓风机6制造波浪施加倾斜力矩使船体模型2发生横倾，分析控制装置通过压力传感器4获取压力数据，得到船体模型2外板的受压情况；

2)分析控制装置控制隔板驱动装置动作，隔板驱动装置带动一块纵向隔板3展开，造波机5和鼓风机6制造波浪施加相同方向和强度的倾斜力矩，分析控制装置通过压力传感器4获取压力数据，得到船体模型2外板的受压情况，发现一块纵向隔板3(即一道纵向舱壁)的设置使得船体外板的受压减弱；

3)分析控制装置控制隔板驱动装置动作，隔板驱动装置将之前展开的纵向隔板3收回，重新带动另外两块横向均衡分布的纵向隔板3展开，造波机5和鼓风机6制造波浪施加相同方向和强度的倾斜力矩，分析控制装置通过压力传感器4获取压力数据，得到船体模型2外板的受压情况，发现两块纵向隔板3(即两道纵向舱壁)的设置使得船体外板的受压更加减弱。

可见，纵向隔板3(即纵向舱壁)的设置减小了因为自由液面产生的横倾力矩。自由液面产生的横倾力矩数值越大，船舶的复原力矩越小，复原力矩的大幅减少说明船舶能自行恢复到原来位置的能力就降低，即船舶稳性会降低，因此对船舶的安全不利。

实验实施后，可在分析控制装置上看到该船体模型2在不同状态下的船体外板压力分布图，通过压力分布图差异性的讲解帮助学生深入理解自由液面存在的不利影响以及其具体的对应措施的合理性。

利用上述优选的装置操作时，将船体模型2放置于水槽1上，装载液体后，在模拟船的三种状态：无纵向舱壁、一道纵向舱壁和两道纵向舱壁，利用造波机5制造波浪施加相同方向和强度的倾斜力矩，通过压力传感器4的数据获取得到船体外板的受压情况。观察模拟船在这三种不同状态下的外板受力的差异。通过压力传感器4实时传递的数据，即可看到自由液面的存在确实对船体外板产生了额外的倾斜力矩，同时纵向舱壁的设置会降低这种额外的倾斜力矩的数值，提高船舶的复原力矩。

为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，纵向隔板3为滚卷式隔板，且隔板驱动装置为电机，电机带动齿轮驱动纵向隔板3展开和收回。

采用上述优选的方案，结构简单，更便于收纳和使用。

如图7-8所示，为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，在纵向隔板3的端底部设置有密封接头，在船体模型2的底部设有与密封接头相匹配的密封槽；

当纵向隔板3展开到位后，其端底部的密封接头与密封槽卡接。

采用上述优选的方案，纵向隔板3展开后，连接更牢固。

进一步，密封接头包括：设置于纵向隔板3端部的第一连接柱31以及设置于第一连接柱31端面的第二连接柱32，密封槽也包括：分别与第一连接柱31和第二连接柱32相匹配的第一柱槽和第二柱槽。

采用上述优选的方案，密封效果更佳，且定位更准确。

进一步，在第二连接柱32内设有第一磁石(图中未示出)，且在第二柱槽底部也设有与第一磁石极性相反的第二磁石。

采用上述优选的方案，密封效果更佳。

进一步，在纵向隔板3的两侧部设置有间隔分布的连接凸起33和连接凹槽34，在船体模型2的侧壁上也设有分别与其匹配连接的定位凹槽和定位凸起；

当纵向隔板3展开到位后，其连接凸起33、连接凹槽34与定位凹槽和定位凸起匹配连接。

采用上述优选的方案，展开后的纵向隔板3稳定性更佳。

如图9所示，为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，当纵向隔板3收回时，收纳于隔板壳体7内，且在隔板壳体7外套设有保护套8，且保护套8依次包括：外防水层81、中充气层82以及内连接层83；

外防水层81用于实现防水；

中充气层82内设有充气腔，用于实现对隔板壳体的防护；

内连接层83用于与隔板壳体7实现可拆卸式连接。

采用上述优选的方案，可以有效对隔板壳体7进行保护，进而对其内部的纵向隔板3进行保护。内连接层83可以与隔板壳体7外壁卡接或粘贴连接。

对于本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种测量自由液面效应的实验装置，其特征在于，包括：

水槽，在所述水槽内盛有液体，用于对船体模型进行实验；

船体模型，所述船体模型的货舱区域内设有至少两块纵向隔板，所述纵向隔板与隔板驱动装置传动连接，所述隔板驱动装置带动所述纵向隔板实现自动展开与收回；

压力传感器，多个所述压力传感器均匀设置于所述船体模型的船体舷侧外板上，且所述压力传感器与分析控制装置电连接；

分析控制装置，所述分析控制装置与所述隔板驱动装置电连接，用于控制所述隔板驱动装置动作。

2.根据权利要求1所述的测量自由液面效应的实验装置，其特征在于，所述测量自由液面效应的实验装置还包括：造波机，所述造波机设置于所述水槽，用于制造波浪；

所述造波机与所述分析控制装置电连接，所述分析控制装置控制所述造波机动作。

3.根据权利要求1所述的测量自由液面效应的实验装置，其特征在于，所述测量自由液面效应的实验装置还包括：鼓风机，用于制造风力；

所述鼓风机与所述分析控制装置电连接，所述分析控制装置控制所述鼓风机动作。

4.根据权利要求1-3任一项所述的测量自由液面效应的实验装置，其特征在于，所述纵向隔板为滚卷式隔板，且所述隔板驱动装置为电机，所述电机带动齿轮驱动所述纵向隔板展开和收回。

5.根据权利要求4所述的测量自由液面效应的实验装置，其特征在于，在所述纵向隔板的端底部设置有密封接头，在所述船体模型的底部设有与所述密封接头相匹配的密封槽；

当所述纵向隔板展开到位后，其端底部的密封接头与所述密封槽卡接。

6.根据权利要求5所述的测量自由液面效应的实验装置，其特征在于，所述密封接头包括：设置于所述纵向隔板端部的第一连接柱以及设置于所述第一连接柱端面的第二连接柱，所述密封槽也包括：分别与所述第一连接柱和第二连接柱相匹配的第一柱槽和第二柱槽。

7.根据权利要求6所述的测量自由液面效应的实验装置，其特征在于，在所述第二连接柱内设有第一磁石，且在所述第二柱槽底部也设有与所述第一磁石极性相反的第二磁石。

8.根据权利要求7所述的测量自由液面效应的实验装置，其特征在于，在所述纵向隔板的两侧部设置有间隔分布的连接凸起和连接凹槽，在所述船体模型的侧壁上也设有分别与其匹配连接的定位凹槽和定位凸起；

当所述纵向隔板展开到位后，其连接凸起、连接凹槽与定位凹槽和定位凸起匹配连接。

9.根据权利要求8所述的测量自由液面效应的实验装置，其特征在于，当所述纵向隔板收回时，收纳于隔板壳体内，且在所述隔板壳体外套设有保护套，且所述保护套依次包括：外防水层、中充气层以及内连接层；

所述外防水层用于实现防水；

所述中充气层内设有充气腔，用于实现对隔板壳体的防护；

所述内连接层用于与所述隔板壳体实现可拆卸式连接。

10.测量自由液面效应的实验方法，其特征在于，利用如权利要求1-9任一项所述的测量自由液面效应的实验装置进行实验，具体包括以下步骤：

1)将船体模型放置在水槽中，船体模型的货舱区域内装载液体，分析控制装置通过压力传感器获取压力数据，得到船体模型外板的受压情况；

2)分析控制装置控制隔板驱动装置动作，隔板驱动装置带动一块纵向隔板展开，分析控制装置通过压力传感器获取压力数据，得到船体模型外板的受压情况；

3)分析控制装置控制隔板驱动装置动作，隔板驱动装置带动至少两块纵向隔板展开，分析控制装置通过压力传感器获取压力数据，得到船体模型外板的受压情况。