CN109115451A - 可同步测风压、水压、流场分布的风-水流耦合振动试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可同步测风压、水压、流场分布的风‑水流耦合振动试验装置，应用在风洞试验装置领域，包括建筑模型、安装座、基板、形变杆、应变片和粒子图像测试仪，基板水平固定设置于试验区域内，且基板上表面为风力试验侧，下表面为水流试验侧，上下两侧相对隔绝，粒子图像测试仪对准水流试验侧。建筑模型的左右两侧设有压力传感器。本发明能同步进行气弹试验中风压、水压的测量，以及在考虑到流固耦合影响下测量出各流体作用于结构的压力大小，并且，结合不同的流场分布情况，对水上或海上建筑结构的运营情况进行真实的模拟，为水上、海上建筑运营稳定性研究提供理论依据及基础。

Description

可同步测风压、水压、流场分布的风-水流耦合振动试验装置

技术领域

本发明属于风洞试验装置领域，具体涉及一种可同步测风压、水压、流场分布的风-水流耦合振动试验装置。

背景技术

在设计水上建筑或海上建筑时，如水上桥梁或海上钻井平台时，需考虑水面以上的气流和水面以下的水流冲击建筑时产生的振动效应，以及不同流场分布下对建筑结构的影响，即是需将风压、水压和流场分布作为建筑实际运营时稳定性判定的重要指标。

已有的研究风致效应下的气弹试验装置功能都较为单一，如将气弹试验和测压试验分开进行，其无法对模型在风致作用下的振动进行模拟，其测到的作用于结构的压力未包含结构振动的影响(流固耦合的影响)，因此测量结果无法全面反应模型振动对风荷载的影响。

并且，目前还没有一种有效的可将风-水流耦合作用下研究气弹试验的装置，而水上或海上建筑的真实运营情况，则就是风-水流的耦合作用后对其稳定性产生影响的过程。此外，水下流场的分布也是影响建筑结构振动过程及稳定性的关键因素，也因将其一并纳入研究范围。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种可同步测风压、水压、流场分布的风-水流耦合振动试验装置，能同步进行气弹试验中风压、水压的测量，以及在考虑到流固耦合影响下测量出各流体作用于结构的压力大小，并且，结合不同的流场分布情况，对水上或海上建筑结构的运营情况进行真实的模拟，为水上、海上建筑运营稳定性研究提供理论依据及基础。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种可同步测风压、水压、流场分布的风-水流耦合振动试验装置，包括建筑模型、安装座、基板、形变杆和应变片；所述基板水平固定设置于试验区域内，且基板上表面为风力试验侧，下表面为水流试验侧，上下两侧相对隔绝，基板中央垂直开设有安装孔；所述安装孔在水平方向上的左右两侧呈圆弧形；所述安装座通过一根转轴可转动设置于基板的安装孔内，且其水平方向上的左右两侧呈与安装孔型面相契合匹配的圆弧形；所述转轴平行试验风向/水流流向设置，且其轴心位于基板水平方向上的中轴线M上；所述安装座及安装孔左右两侧的圆弧形的圆心均在转轴的轴心处；所述建筑模型有完全相同的两个，分别连接设置于安装座的上下侧并关于中轴线M对称，其中位于水流试验侧的建筑模型完全被试验水体淹没；每个建筑模型在垂直试验风向/水流流向的左右两侧设有压力传感器，且设置在两个建筑模型上的压力传感器关于中轴线M对称；所述形变杆有两根，连接于基板上表面，并沿垂直方向对称位于上侧建筑模型左右两端；每根形变杆均通过一根弹簧分别与建筑模型的左/右表面连接；所述应变片有两片分别镶嵌于两根形变杆左右方向的相对外侧，且均位于弹簧下方；还包括柔性袋；所述柔性袋呈冗状连接于上侧建筑模型与基板上表面之间，以及下侧建筑模型与基板下表面之间，将安装座与安装孔相契合匹配的圆弧形面之间的间隙完全覆盖；还包括粒子图像测试仪；所述粒子图像测试仪设置在水流试验侧外侧并指向下侧的建筑模型；所述水流试验侧内的试验水体内含有示踪粒子。

优选的，所述水流试验侧底部铺设有一层海泥/河泥模拟层；位于水流试验侧的建筑模型底部部分被海泥/河泥模拟层淹没。

优选的，所述压力传感器在每一个建筑模型高度方向上均布设有多个。

优选的，所述安装座与安装孔相契合匹配的圆弧形面之间的距离为1～3mm。

优选的，所述柔性袋为塑胶袋。

本发明的有益效果在于：本发明能同步进行气弹试验中风压、水压的测量，以及在考虑到流固耦合影响下测量出各流体作用于结构的压力大小，并且，结合不同的流场分布情况，对水上或海上建筑结构的运营情况进行真实的模拟，为水上、海上建筑运营稳定性研究提供理论依据及基础。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为实施例一试验装置在风水耦合下结构示意图；

图2为实施例一试验装置仅在水流作用下状态示意图；

图3为实施例一试验装置仅在风力作用下状态示意图；

图4为实施例二试验装置在风水耦合下结构示意图。

附图中标记如下：建筑模型1、安装座2、基板3、安装孔31、形变杆4、应变片5、转轴6、压力传感器7、弹簧8、柔性袋9、粒子图像测试仪10、海泥/河泥模拟层11。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

实施例一

如图1，一种可同步测风压、水压、流场分布的风-水流耦合振动试验装置，包括建筑模型1、安装座2、基板3、形变杆4和应变片5；所述基板3水平固定设置于试验区域内，且基板3上表面为风力试验侧，下表面为水流试验侧，上下两侧相对隔绝。实现该相对隔绝的方式可以是将整个试验装置置于风洞内，即风力试验侧完全暴露在风洞区域内，但基板3以下的水流试验侧采用类似大型鱼缸的围挡进行完全隔离，实现水流试验侧不受风力影响，以此模拟水上或海上建筑运营时上下部分所处的环境；实现相对隔绝的方式之二可以是将基板3以上的风力试验侧置于风洞内，基板3以下的水流试验侧设于风洞外(风洞外侧的下部通常为闲置空间，以便于在风洞下侧对各项试验参数及结构的调节)，并置于似大型鱼缸的围挡内，当然，本领域技术人员应当知晓，也可以为其他结构形式。

基板3中央垂直开设有安装孔31；所述安装孔31在水平方向上的左右两侧呈圆弧形；所述安装座2通过一根转轴6可转动设置于基板3的安装孔31内，且其水平方向上的左右两侧呈与安装孔31型面相契合匹配的圆弧形；所述转轴6平行试验风向/水流流向设置，且其轴心位于基板3水平方向上的中轴线M上；所述安装座2及安装孔31左右两侧的圆弧形的圆心均在转轴6的轴心处；所述建筑模型1有完全相同的两个，分别连接设置于安装座2的上下侧并关于中轴线M对称，其中位于水流试验侧的建筑模型1完全被试验水体淹没；每个建筑模型1在垂直试验风向/水流流向的左右两侧设有压力传感器7，且设置在两个建筑模型上的压力传感器7关于中轴线M对称。

所述形变杆4有两根，连接于基板3上表面，并沿垂直方向对称位于上侧建筑模型1左右两端；每根形变杆4均通过一根弹簧8分别与建筑模型的左/右表面连接；所述应变片5有两片分别镶嵌于两根形变杆4左右方向的相对外侧，且均位于弹簧8下方。

还包括柔性袋9；所述柔性袋9呈冗状连接于上侧建筑模型1与基板3上表面之间，以及下侧建筑模型1与基板3下表面之间，将安装座2与安装孔31相契合匹配的圆弧形面之间的间隙完全覆盖。冗状设置的柔性袋9可吸收建筑模型1的摆动幅度，并且完全覆盖掉安装座2与安装孔31之间的间隙，彻底杜绝窜风漏水的情况出现。

还包括粒子图像测试仪10；所述粒子图像测试仪10设置在水流试验侧外侧并指向下侧的建筑模型1；所述水流试验侧内的试验水体内含有示踪粒子。

试验时，将预先制作好的建筑模型1两个对称的安装于安装座2的上下侧，然后将整套试验装置置于风洞内或基板3以下结构置于风洞外，具体参考上文“基板3上表面为风力试验侧，下表面为水流试验侧，上下两侧相对隔绝”的实现方式。

水流试验侧内设有可将水流垂直鼓向建筑模型1的水泵喷射装置，其为成熟的现有技术，非常易于实现，如对其结构布置本申请不做赘述。产生如图1方向的水流后，作用于下侧的建筑模型1，建筑模型1在垂直流体的冲击作用下会发生如图1中绕转轴6的左右方向的摆动。

同时，在风力试验侧产生风力进行试验风垂直冲击振动气弹试验，其中试验风由风洞内的风机等结构发生，其为成熟的现有技术，本申请不做赘述。产生如图1方向的气流后，作用于上侧的建筑模型1，建筑模型1在垂直试验风的冲击作用下也会发生如图1中绕转轴6的左右方向的摆动。

由于每个建筑模型1在垂直试验风向/水流流向的左右两侧设有压力传感器7，因此该气弹试验装置在耦合了风力影响和水力影响后，可同时测出风压和水压，具体参见图1，以压力传感器A-a为例，A即测出了风致振动作用下的风压力FA，a即测出了水流冲击振动作用下的水压力Fa。同时，由于设置了粒子图像测试仪10，配合试验水体里含有的示踪粒子，可分析出试验水体冲击建筑结构时的流场分布情况，将流场分布情况与测得的风压和水压值进行耦合分析，可更加真实的模拟水上或海上建筑结构的运营情况，为水上、海上建筑运营稳定性研究提供理论依据及基础。

与此同时，建筑模型1摆动的过程中，上侧的建筑模型1会压迫与其连接的弹簧8，进而压迫形变杆4发生形变，而镶嵌于形变杆4上的应变片5则获得了测压数据，及同步测得了作用在结构上的压力，实现考虑到流固耦合影响下测量出各流体作用于结构的压力大小，全面反应模型振动对流体荷载的影响。

需要特别说明的是，上述压力传感器7、应变片5、粒子图像测试仪10等的布线方式以信号接收、数据获取方式均为本领域的常规设置，故本申请不做赘述。

本实施例的试验装置除了同时测量耦合风-水力作用下的压力大小，基于其对称的结构布置形式，即上侧的建筑模型1与下侧的建筑模型1关于中轴线M对称，且每个建筑模型1在垂直试验风风向的左右两侧设有压力传感器7，且设置在两个建筑模型1上的压力传感器7关于中轴线M对称，即压力传感器A-a对称，B-b对称；其也可分别试验仅在水流作用下或风力作用下的水压、风压大小。这样做的一个好处就是，可以将单流体作用下振动过程中的惯性力测出来。

见图2，为实施例一试验装置仅在水流作用下状态示意图，以压力传感器A-a为例，a点可测得水流冲击作用下振动力Fa的大小，结果为流固耦合后的值，即包含了建筑模型在水流侧的振动影响，A点可测得对应于a点的惯性力的大小FA，那么Fa-FA就是实际由水流垂直冲击产生的水流振动力的大小。该对称式建筑模型及压力传感器的布置，可测出同一点的惯性力的大小，再将该点测得的水流振动力减去惯性力，就可获得完全由水流垂直冲击产生的振动力，相对于常规试验测到的包含惯性力的动力数据，这种方式获得的完全由水流垂直冲击产生的振动力数据更加真实准确。

见图3，为实施例一试验装置仅在风力作用下状态示意图，仍是以压力传感器A-a为例，A点可测得试验风冲击作用下振动力FA的大小，结果为流固耦合后的值，即包含了建筑模型在风力侧的振动影响，a点可测得对应于A点的惯性力的大小Fa，那么FA-Fa就是实际由试验风垂直冲击产生的振动力的大小。

在某些试验需求下，需要精准分析实际由水流或实际由风力冲击产生的振动压力大小，而本发明的装置通过一套试验装置即可完成。

进一步的，本实施例采用的压力传感器7在每一个建筑模型1高度方向上均布设有多个，该设计可一次性实现多处风压、水压的测试，提高试验效率，同时也方便分析不同高度处由流体冲击产生的风压、水压与应变片测得压力之间的关系。

进一步的，本实施例采用的安装座2与安装孔31相契合匹配的圆弧形面之间的距离为1～3mm，该间距既保证了安装座2在基板3内可绕转轴6自由旋转，又方便安装座2与安装孔31之间的契合装配。

进一步的，本实施例采用的柔性袋9为塑胶袋。

实施例二

如图2，与实施例一的区别在于，本实施例中水流试验侧底部铺设有一层海泥/河泥模拟层11；位于水流试验侧的建筑模型1底部部分被海泥/河泥模拟层11淹没。该实施例可更加真实的模拟水上/海上建筑底部固定于海泥/河泥层的运营情况，即是在受到水流冲击时底部也受到阻尼力作用，可通过调节建筑模型1底部与插入海泥/河泥模拟层11的深度来调节建筑模型振动时的阻尼比，使测得的振动力和压力值更加精确，更贴近实际情况。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (5)

1.一种可同步测风压、水压、流场分布的风-水流耦合振动试验装置，其特征在于：包括建筑模型、安装座、基板、形变杆和应变片；

所述基板水平固定设置于试验区域内，且基板上表面为风力试验侧，下表面为水流试验侧，上下两侧相对隔绝，基板中央垂直开设有安装孔；

所述安装孔在水平方向上的左右两侧呈圆弧形；

所述安装座通过一根转轴可转动设置于基板的安装孔内，且其水平方向上的左右两侧呈与安装孔型面相契合匹配的圆弧形；

所述转轴平行试验风向/水流流向设置，且其轴心位于基板水平方向上的中轴线M上；

所述安装座及安装孔左右两侧的圆弧形的圆心均在转轴的轴心处；

所述建筑模型有完全相同的两个，分别连接设置于安装座的上下侧并关于中轴线M对称，其中位于水流试验侧的建筑模型完全被试验水体淹没；

每个建筑模型在垂直试验风向/水流流向的左右两侧设有压力传感器，且设置在两个建筑模型上的压力传感器关于中轴线M对称；

所述形变杆有两根，连接于基板上表面，并沿垂直方向对称位于上侧建筑模型左右两端；每根形变杆均通过一根弹簧分别与建筑模型的左/右表面连接；

所述应变片有两片分别镶嵌于两根形变杆左右方向的相对外侧，且均位于弹簧下方；

还包括柔性袋；所述柔性袋呈冗状连接于上侧建筑模型与基板上表面之间，以及下侧建筑模型与基板下表面之间，将安装座与安装孔相契合匹配的圆弧形面之间的间隙完全覆盖；

还包括粒子图像测试仪；所述粒子图像测试仪设置在水流试验侧外侧并指向下侧的建筑模型；所述水流试验侧内的试验水体内含有示踪粒子。

2.根据权利要求1所述的可同步测风压、水压、流场分布的风-水流耦合振动试验装置，其特征在于：所述水流试验侧底部铺设有一层海泥/河泥模拟层；位于水流试验侧的建筑模型底部部分被海泥/河泥模拟层淹没。

3.根据权利要求1所述的可同步测风压、水压、流场分布的风-水流耦合振动试验装置，其特征在于：所述压力传感器在每一个建筑模型高度方向上均布设有多个。

4.根据权利要求1所述的可同步测风压、水压、流场分布的风-水流耦合振动试验装置，其特征在于：所述安装座与安装孔相契合匹配的圆弧形面之间的距离为1～3mm。

5.根据权利要求1所述的可同步测风压、水压、流场分布的风-水流耦合振动试验装置，其特征在于：所述柔性袋为塑胶袋。