CN109238647A - 一种研究海床壁面效应的综合试验水槽 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种研究海床壁面效应的综合试验水槽，包括水槽本体、造波装置、造流装置、拖曳与自旋转测量装置和壁面床底模拟装置；造波装置具有能够在水槽本体内往复运动的造波板；造流装置具有能够在水槽本体内喷水的进水管；拖曳与自旋转测量装置具有能够在水槽本体内移动和旋转的悬挂杆；壁面床底模拟装置具有沿水槽本体的长度方向设置并在其内横向移动的分隔板。本发明具有的有益效果：通过调节试验模型与光滑透光板的距离等手段，改变水流参数，从而实现模拟近壁面不同水动力特性对于水下航行器运动的影响的目的。

Description

一种研究海床壁面效应的综合试验水槽

技术领域

本发明属于水动力检测技术领域，具体涉及一种研究海床壁面效应的综合试验水槽。

背景技术

近二十年来，针对海洋开发利用与水下工程应用需求，已有大量的水下机器人出现。而在机器人的水下作业项目中，一个重要的任务类型就涉及了在临近壁面环境中的水下作业。而水下机器人在结构表面工作时，会存在明显的壁面效应（Ground Effect），该效应使得结构壁面周围流场发生显著变化，导致水下机器人的正常控制模式发生失效。当壁面与航行体尺度的特征间隙比时，流场则更为复杂，具有高黏性流动特征，无法通过数值精确模拟，必须进行模型试验并结合Micro-PIV微尺度流场观测技术开展研究，对于解决水下机器人在壁面附近的操控与控制问题具有重要的工程意义。根据壁面特征间隙比的不同，壁面效应存在吸力和斥力两个极化方向，并存在有利于水下机器人航行自稳定的特征区间。目前，关于壁面效应自稳定机理的研究还属空白，常规的水动力试验条件也无法满足该项研究需要。为此，我们专门提出一种研究海床壁面效应的波流拖曳综合试验水槽。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种研究海床壁面效应的综合试验水槽，通过调节试验模型与光滑透光板的距离等手段，改变水流参数，从而实现模拟近壁面不同水动力特性对于水下航行器运动的影响的目的。

为解决现有技术问题，本发明公开了一种研究海床壁面效应的综合试验水槽，

包括水槽本体、造波装置、造流装置、拖曳与自旋转测量装置和壁面床底模拟装置；

造波装置具有能够在水槽本体内往复运动的造波板；

造流装置具有能够在水槽本体内喷水的进水管；

拖曳与自旋转测量装置具有能够在水槽本体内移动和旋转的悬挂杆；

壁面床底模拟装置具有沿水槽本体的长度方向设置并在其内横向移动的分隔板。

作为优选方案，

水槽本体包括两个平行设置的长侧板、两个平行设置的短端板和一底板；长侧板的两端边沿分别与两个短端板的对应边沿密封相连，底板的边沿分别与长侧板和短端板的边沿密封相连。

作为优选方案，

长侧板、底板和分隔板均为透明板。

作为优选方案，

造波装置还包括旋转驱动装置、导杆和造波丝杠；导杆和造波丝杠均平行于水槽本体的长度方向，旋转驱动装置的转轴与造波丝杠相连；造波板与造波丝杠转动连接，与导杆滑动连接；造波板的板面垂直于水槽本体的长度方向。

作为优选方案，

造流装置还包括出水管和水泵，出水管与进水管分别设置在水槽本体的两端，出水管通过水泵与进水管相连。

作为优选方案，

进水管和出水管的数目均为多个，并且沿水槽本体的宽度方向等间距分布。

作为优选方案，

拖曳与自旋转测量装置还包括第一平台、第二平台和旋转平台；第一平台通过安装在水槽本体上的第一移动装置而在水槽本体的长度方向水平移动，第二平台通过安装在第一平台上的第二移动装置而在水槽本体的宽度方向水平移动；旋转平台通过安装在第二平台上的旋转装置而在垂直于水平面的轴线旋转；悬挂杆垂直地设置在旋转平台底部。

作为优选方案，

拖曳与自旋转测量装置还包括三分力天平，所示三分力天平连接在旋转平台和悬挂杆之间。

作为优选方案，

三分力天平包括阻力仪、侧向力天平和偏航力矩天平。

作为优选方案，

壁面床底模拟装置还包括一对横杆和分别可调节设置在对应横杆上的调节座；横杆沿水槽本体的宽度方向分别设置在水槽本体的两个端部，分隔板的两端分别与对应调节座相连。

本发明具有的有益效果：

1. 通过调节试验模型与光滑透光板的距离等手段，改变水流参数，从而实现模拟近壁面不同水动力特性对于水下航行器运动的影响的目的。

2.能够配合Micro-PIV微尺度流场观测设备，有助于通过特质的荧光示踪粒子以及低图像密度处理方法，实现更好地研究模型周边的流场形态、并便于同CFD计算结果进行对比的目的。

附图说明

图1是本发明一个优选实施例的结构立体图；

图2是图1所示实施例的另一个视角下的结构立体图；

图3是图1所示实施例中造波装置的结构示意图；

图4是图1所示实施例中拖曳与自旋转测量装置；

图5是图4中的A向视图。

附图标记：

1长侧板；2底板；3短端板；4分隔板；5横杆5；6调节座；7第一导轨；8传动皮带机构；9电机；10第一平台；11第二导轨；12第二平台；13进水管；14造波丝杠；15导杆；16造波板；17阻力仪；18测量信号接口；19侧向力天平；20挂杆接箍；21悬挂杆；22支撑腿。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1至4所示，一种研究海床壁面效应的综合试验水槽，包括水槽本体、造波装置、造流装置、拖曳与自旋转测量装置和壁面床底模拟装置。

其中，造波装置包括造波板16、旋转驱动装置、导杆15和造波丝杠14。导杆15和造波丝杠14均通过设置在水槽本体其中一端的固定架平行于水槽本体的长度方向固定在水槽本体的上方，旋转驱动装置固定在固定架一侧，其转轴与造波丝杠14轴向相连，造波板16与造波丝杠14转动连接，与导杆15滑动连接；造波板16的板面垂直于水槽本体的长度方向。旋转驱动装置为32位DSP平台全数字交流伺服一体机，其使用的低压交流伺服机支持MODBUS_RTU通讯网络化控制，为多轴组网的分层造波应用提供更简便的实现方式。

旋转驱动装置运行时能够正反交替驱动造波丝杠14转动，从而使造波板在水槽本体中沿其长度方向往复运动形成造波条件，产生试验所需的波浪。

造流装置包括进水管13、出水管和水泵，出水管与进水管13分别设置在水槽本体的两端并与水槽本体相连通，出水管与进水管13的外端通过水泵相连。

水泵运行时能够将水槽本体内的水从出水管中抽出然后通过进水管13再次泵入到水槽本体内，形成造流条件。为了起到稳流的作用，进水管13和出水管的数目均为多个，并且沿水槽本体的宽度方向等间距分布。进水管13和出水管均采用PVC圆管制成，因此可以降低成本和安装难度。

拖曳与自旋转测量装置包括悬挂杆21、第一平台10、第二平台12和旋转平台。水槽本体上设置有第一移动装置，第一移动装置包括第一导轨7、皮带传动机构8和电机9；第一导轨7和皮带传动机构8沿水槽本体的长度方向设置在长侧板1上，电机9安装在长侧板1的一端，其与皮带传动机构8的带轮相连驱动皮带移动；第一平台10与第一导轨7滑动相连并与皮带传动机构8的传动带固连从而实现往复移动。第一平台10上设置有第二移动装置，第二移动装置与第一移动装置组成相同，故不赘述。第一平台10的顶面设置平行于水槽本体的宽度方向的第二导轨11，第二平台12与第二导轨11滑动连接。第二移动装置能够驱动第二平台12在第一平台10上沿水槽本体的宽度方向水平移动。第一平台10为框型结构，第二平台12的底部安装旋转装置，旋转装置的转轴连接旋转平台，旋转装置驱动旋转平台绕转轴旋转，该转轴垂直于水平面。悬挂杆21垂直地设置在旋转平台底部，并穿过第一平台10的中央开口结构向下延伸从而固定模拟机器人。

为了获得模拟机器人在水中的受力情况，拖曳与自旋转测量装置还包括三分力天平，所示三分力天平连接在旋转平台和悬挂杆21之间。具体地，三分力天平包括阻力仪17、侧向力天平19和偏航力矩天平。阻力仪17用于测量模拟机器人在水中沿水槽本体的长度方向移动时受到的阻力大小，侧向力天平19则用于测量模拟机器人在水中沿水槽本体的宽度方向移动时受到的阻力大小，偏航力矩天平则用于测量模拟机器人在水中旋转时受到的阻力矩大小。

壁面床底模拟装置包括一分隔板4、一对横杆5和分别可调节设置在对应横杆5上的调节座6；分隔板4沿水槽本体的长度方向设置，横杆5平行于水槽本体的宽度方向分别设置在水槽本体的两个端部，分隔板4的两端分别与对应调节座6相连。通过调节调节座6在横杆5上的位置来改变分隔板4在水槽本体中的位置。分隔板4作为模拟海床壁面，并通过位置调节来实现模拟机器人模拟近壁面不同水动力特性对于水下航行器运动的影响的目的。

水槽本体包括两个平行设置的长侧板1、两个平行设置的短端板3和一底板2。长侧板1的两端边沿分别与两个短端板3的对应边沿密封相连，底板2的边沿分别与长侧板1和短端板3的边沿密封相连，从而形成长方体结构的容器以盛放试验水体，边角处接缝均设置有纵向加强筋保护提高整体强度。长侧板1、底板2和分隔板4均为透明的高强度钢化玻璃板，短端板3则采用不锈钢板。如此一来能够配合Micro-PIV微尺度流场观测设备对模型周边流场进行精细观测。该激光测速技术具有瞬态、定量、非接触、整场等优势，其0.05mm的分辨率可完全满足本项试验的测量精度。另外，由于水槽本体设置具有可调节高度的支撑腿22的台架，台架下安装反光镜的方式来配合本实验的测量机位。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种研究海床壁面效应的综合试验水槽，其特征在于：

包括水槽本体、造波装置、造流装置、拖曳与自旋转测量装置和壁面床底模拟装置；

所述造波装置具有能够在所述水槽本体内往复运动的造波板（16）；

所述造流装置具有能够在所述水槽本体内喷水的进水管（13）；

所述拖曳与自旋转测量装置具有能够在所述水槽本体内移动和旋转的悬挂杆（21）；

所述壁面床底模拟装置具有沿所述水槽本体的长度方向设置并在其内横向移动的分隔板（4）。

2.根据权利要求1所述的一种研究海床壁面效应的综合试验水槽，其特征在于：

所述水槽本体包括两个平行设置的长侧板（1）、两个平行设置的短端板（3）和一底板（2）；所述长侧板（1）的两端边沿分别与两个短端板（3）的对应边沿密封相连，所述底板（2）的边沿分别与所述长侧板（1）和所述短端板（3）的边沿密封相连。

3.根据权利要求2所述的一种研究海床壁面效应的综合试验水槽，其特征在于：

所述长侧板（1）、所述底板（2）和所述分隔板（4）均为透明板。

4.根据权利要求1所述的一种研究海床壁面效应的综合试验水槽，其特征在于：

所述造波装置还包括旋转驱动装置、导杆（15）和造波丝杠（14）；所述导杆（15）和所述造波丝杠（14）均平行于所述水槽本体的长度方向，所述旋转驱动装置的转轴与所述造波丝杠（14）相连；所述造波板（16）与所述造波丝杠（14）转动连接，与所述导杆（15）滑动连接；所述造波板（16）的板面垂直于所述水槽本体的长度方向。

5.根据权利要求1所述的一种研究海床壁面效应的综合试验水槽，其特征在于：

所述造流装置还包括出水管和水泵，所述出水管与所述进水管（13）分别设置在所述水槽本体的两端，所述出水管通过所述水泵与所述进水管相连。

6.根据权利要求5所述的一种研究海床壁面效应的综合试验水槽，其特征在于：

所述进水管（13）和所述出水管的数目均为多个，并且沿所述水槽本体的宽度方向等间距分布。

7.根据权利要求1所述的一种研究海床壁面效应的综合试验水槽，其特征在于：

所述拖曳与自旋转测量装置还包括第一平台（10）、第二平台（12）和旋转平台；所述第一平台（10）通过安装在所述水槽本体上的第一移动装置而在所述水槽本体的长度方向水平移动，所述第二平台（12）通过安装在所述第一平台（10）上的第二移动装置而在所述水槽本体的宽度方向水平移动；所述旋转平台通过安装在所述第二平台（12）上的旋转装置而在垂直于水平面的轴线旋转；所述悬挂杆（21）垂直地设置在所述旋转平台底部。

8.根据权利要求7所述的一种研究海床壁面效应的综合试验水槽，其特征在于：

所述拖曳与自旋转测量装置还包括三分力天平，所示三分力天平连接在所述旋转平台和所述悬挂杆（21）之间。

9.根据权利要求8所述的一种研究海床壁面效应的综合试验水槽，其特征在于：

所述三分力天平包括阻力仪（17）、侧向力天平（19）和偏航力矩天平。

10.根据权利要求1所述的一种研究海床壁面效应的综合试验水槽，其特征在于：

所述壁面床底模拟装置还包括一对横杆（5）和分别可调节设置在对应横杆（5）上的调节座（6）；所述横杆（5）沿所述水槽本体的宽度方向分别设置在所述水槽本体的两个端部，所述分隔板（4）的两端分别与对应调节座（6）相连。