CN110006613A - 一种溃坝式水流冲击载荷试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种溃坝式水流冲击载荷试验装置。包括水流冲击试验水槽、闸门起降系统以及水循环系统三部分，水流冲击试验水槽包括溃坝箱、冲击箱以及储水箱，溃坝箱与冲击箱相连接，溃坝箱和冲击箱位于储水箱之上，冲击箱与储水箱之间通过连通孔相连通，述闸门起降系统包括由两根槽钢和横梁组成的滑道支撑架，闸门位于溃坝箱与冲击箱的交界处，滑道支撑架的横梁上设置滑轮，钢丝绳的一端穿过滑轮与闸门连接，钢丝绳的另一端连接配重，水循环系统包括抽水机及抽水管。本发明具有较强的稳定性，测量结果具有较高精度，能够很好的对甲板上浪问题进行研究，具有较强的工程实用性与科研价值。

Description

一种溃坝式水流冲击载荷试验装置

技术领域

本发明涉及的是一种可用于船舶与海洋结构物甲板上浪水流冲击载荷分析的试验装置。

背景技术

在甲板上浪冲击载荷的预报中，甲板上浪高度与水流冲击速度对冲击载荷的大小具有重要影响。一般来说，甲板上浪高度越大，水流冲击速度越大，则产生的冲击载荷越大。

为了更好的对甲板上浪冲击载荷进行预报，国内外诸多学者对上浪冲击载荷的预报问题展开研究，具有代表性的主要有以下研究：Buchner以FPSO为研究对象，通过模型试验的方法对水体在甲板上流动的物理机制以及作用在甲板上结构物的冲击载荷进行研究，但由于模型缩尺比的限制，上浪流动的诸多细节以及冲击时产生的三维效应难以捕捉的到，同时，测量结果受船模缩尺比影响较大；Kristian Bendix Nielsen and Stefan Mayer采用Navier-Stoker求解器以及VOF方法对暴露在顶头波中的FPSO的甲板上浪载荷进行数值模拟研究，但数值模拟方法对计算机性能要求极高，需要花费较大的时间成本，且在对上浪冲击载荷预报的精确度方面还有待考量；段文洋、王瑞锋等针对ITTC国际标准船模S-175进行了水池试验，研究船舶甲板上浪冲击压力的特点和规律。试验测量了波浪参数、船舶运动、上浪高度、上浪冲击压力等时间历程数据.通过改变浪高、浪向、航速等来分析这些因素对船舶甲板上浪的影响，此方法取得了一系列成果，但同时也存在以下问题：(1)由于船模水池试验本身的条件限制，并不能对上浪水流冲击速度进行测量，因此，不能给出上浪高度、冲击速度与上浪冲击压力的定量关系；(2)在试验中，船体与甲板以上结构物为一整体，不可拆分，因此不能对甲板以上结构物的整体受力进行测量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够解决试验结果失真、适用于深入研究甲板上浪问题的溃坝式水流冲击载荷试验装置。

本发明的目的是这样实现的：包括水流冲击试验水槽、闸门起降系统以及水循环系统三部分，

所述水流冲击试验水槽包括溃坝箱、冲击箱以及储水箱，溃坝箱与冲击箱相连接，溃坝箱和冲击箱位于储水箱之上，冲击箱与储水箱之间通过连通孔相连通，溃坝箱、冲击箱以及储水箱一起构成水槽主体，

所述闸门起降系统包括由两根槽钢和横梁组成的滑道支撑架，滑道支撑架与水槽主体相固连，槽钢的凹槽内镶嵌闸门滑道，闸门的两边设置滑块，滑块安装在闸门滑道内，闸门位于溃坝箱与冲击箱的交界处，滑道支撑架的横梁上设置第一定滑轮，钢丝绳的一端穿过第一定滑轮与闸门连接，钢丝绳的另一端连接配重，

所述水循环系统包括抽水机及抽水管，试验时，水由溃坝箱流出，流经冲击箱，并通过冲击箱与储水箱的连通孔流入储水箱，抽水管与储水箱相连，并通过抽水机将水体抽入溃坝箱中。

本发明还可以包括：

1.还包括离体支撑架，离体支撑架设置在水槽主体的一端，离体支撑架的横梁上设置第二定滑轮，所述钢丝绳的一端先穿过第二定滑轮再穿过第一定滑轮之后与闸门连接。

2.水槽主体的一端固连由离体支撑架固定架，离体支撑架与离体支撑架固定架连接。

3.所述的闸门滑道是上宽下窄的楔形槽状，所述楔形槽一面垂直、另外两面倾斜；所述的滑块是与楔形槽相配合的上宽下窄的楔形实体。

4.所述冲击箱为三侧封闭三侧开放式箱体，其中一侧侧壁为板材，另一侧为透明有机玻璃。

5.滑道支撑架的槽钢的长度大于等于闸门滑道长度的2倍，闸门滑道与槽钢的底端平齐并固定。

6.试验时，在溃坝箱中应积蓄的水体的长度与高度比达到1.5时，水由溃坝箱流出。

7.溃坝箱、冲击箱以及储水箱的宽度相等，试验模型与冲击箱的宽度比为0.25。

基于已有技术现状，本发明提出了一种基于水流冲击载荷试验水槽的方法对甲板上浪冲击问题进行研究。基于溃坝理论，使用闸门将具有一定高度的水体阻挡在水槽一侧，根据工况要求，将模型固定于闸门另一侧的合适位置，在甲板以及试验模型表面安装高精度压力传感器，将多分量测力天平与模型连接，并将各测量仪器与动态数据采集系统进行连接。试验时，可通过调整被阻挡的水体的高度模拟不同的上浪高度，通过调整模型在甲板上的位置来控制水流冲击到模型表面时的速度。采用这种试验方式，将主要研究目标集中在发生甲板上浪之后，将甲板上浪过程放大，减小了缩尺比对比试验结果的影响；同时能够更好的对水流演化的物理机制进行观察，捕捉水流流动时的细节以及冲击过程中产生的三维效应，实现对甲板表面压力，模型表面压力及模型整体受力的同步测量，是研究甲板上浪流动冲击载荷的一种新的方法。

本发明的技术效果主要体现在：

1.使用溃坝式水流冲击试验水槽对甲板上浪问题进行研究，可以大大缩短试验周期，节省人力物力成本，同时，减小了试验场地的限制，变得更加灵活。

2.此方法相当于将上浪水流在甲板上的流动过程放大，更有利于观测在有设备、结构物或上层建筑阻挡的情况下，流体演化的过程，研究其物理机制。

3.极大减小了传统船模水池试验中缩持比的限制，可以采用较大的缩尺比进行试验，更有利于甲板上浪现象细节的捕捉，测量得到的冲击载荷更加接近真实值。

4.可以根据不同冲击角度、不同冲击位置制造出多种翻卷式上浪现象，对传统船模水池试验无法得到的翻卷式上浪进行研究。

5.引入多分量测力天平，在测量甲板以及甲板上设备、结构物或上层建筑所受到的冲击载荷分布情况的同时，还能同时测量甲板上设备、结构物或上层建筑的整体受力，测量结果可用来评估结构强度，进行安全评估。这在传统的船模水池试验中无法实现。

6.以尺寸均匀且适中的格子线作为流动的背景，更有利与观测水流流动过程中，不同位置处水流厚度的变化情况。

附图说明

图1溃坝式水流冲击载荷试验装置的具体实施方式的结构示意图。

图2闸门滑道的端面视图。

图3楔形滑道的立体图。

图4滑块的端面视图。

图5滑块的立体图。

图6离体支撑架的示意图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

本发明的水流冲击载荷试验装置，主要由水流冲击试验水槽、闸门起降系统、以及水循环系统三部分组成。其中，水流冲击试验水槽包括溃坝箱11、冲击箱12以及储水箱13三部分，为整个试验装置的载体；闸门9起降系统用于闸门的快速抬升与下降；水循环系统用于将试验用水循环利用，避免水资源浪费。此试验装置的特点在于：结构简单，生产成本低；安装和维护检修方便、经济；使用时不受试验场地及条件限制。

所述水流冲击试验水槽部分由溃坝箱、冲击箱以及储水箱三部分组成，溃坝箱与冲击箱相连接，二者位于储水箱之上，冲击箱与储水箱通过一矩形开口相连通，用于水流从冲击箱流入储水箱之中。所述溃坝箱为使用板材围成的四面封闭两面开口式箱体，板材连接处使用角钢进行加固并进行水密处理；所述冲击箱为三侧封闭三侧开放式箱体，其中一侧侧壁为板材，另一侧为高透明有机玻璃，用于观察记录试验现象，在冲击箱末端底板处布置矩形开口，用于冲击水流流入储水箱；所述储水箱为由板材围成的六面封闭的密闭箱体，其中在箱体顶面的末端开一个矩形方孔，使储水箱与冲击箱相连通。

所述闸门起降系统用于闸门的快速抬升与下降，包括由铝合金型材6、第二滑轮15、重物5组成的离体支撑架，离体支撑架固定架16，由槽钢7、角钢、第一滑轮1组成的滑道支撑架，聚四氟乙烯滑道，由聚四氟乙烯和碳纤维组成的闸门9共四部分。所述离体支撑架部分为一个独立的支撑结构，将钢丝绳2跨过离体支撑架与滑道支撑架的滑轮，钢丝绳一侧与重物5相连，另一侧与闸门9相连。利用重力势能与动能相互转化的原理，达到将闸门快速抬升的目的；所述滑道支撑架用于支撑闸门起降的滑道，与水槽主体相固连，其主要组成部分为两个相同尺寸的槽钢，槽钢长度为闸门滑道的2倍，使用时，将闸门滑道嵌入槽钢凹槽之中使二者底侧平齐并固定；所述闸门用于阻挡溃坝箱中的水体形成溃坝冲击水流，包括聚四氟乙烯滑块与碳纤维板材。所述聚四氟乙烯滑块采用下窄上宽的楔形体形状，并在一侧平面开一个矩形槽，用于固定碳纤维板。

所述水循环系统用于试验装置中水体的循环利用，提高试验效率，避免水资源浪费。主要组成部分为抽水机及抽水管管。试验时，水体由溃坝箱流出，流经冲击箱，并通过冲击箱与储水箱的矩形开口流入储水箱暂时储存。抽水管与储水箱相连，并通过抽水机将水体抽入溃坝箱中用于下一次试验。

重物试验开始前，在溃坝箱内积蓄一定高度的水体；试验开始时，释放重物，利用重物携带的动能将阻挡溃坝箱内水体的闸门快速抬升，使用高速摄像机对整个试验过程进行记录；溃坝箱内水体形成冲击水流对结构物模型或上层建筑模型造成冲击，与甲板及模型相连的传感器将冲击力进行测量并记录到动态数据采集系统当中；冲击完成后，水流流入储水箱内暂时储存，待下一次冲击之前利用水循环系统流入溃坝箱内。通过控制溃坝箱内水体的高度来模拟不同的上浪高度以及控制冲击速度，通过调节冲击箱内模型的位置模拟甲板上不同位置处的设备、结构物或上层建筑。

本方法的主要设计难点有以下三个方面：

1.初始水体的长宽比

根据溃坝理论模型，试验开始之前，在溃坝箱中应积蓄一定长度与高度的水体，而水体的长度与高度比，对试验结果有较大的影响。通过CFD数值仿真的方法，通过控制水体的长度与高度的比例关系进行一系列仿真计算，将得到的水流速度和水流厚度结果与溃坝理论值进行对比，通过对比发现，当水体长度高度比为1.5时，得到的水流速度与水流厚度结果与理论值最大误差仅为5.31％，当水体长度高度比小于1.5时，结果误差最大为41.2％，最小误差为10.4％；当水体长度与高度比大于1.5时，误差没有显著减小，但会影响试验效率。由此确定了溃坝箱中水体长度与高度的比例关系，根据(1)式确定，水体长度与宽度的比例关系。

2.试验模型与水槽的宽度比

作为具有测量三维甲板上浪效应功能的试验机构，其壁面效应对试验的精确程度有很大的影响，而试验模型与水槽的宽度比将决定壁面效应的严重与否。通过CFD数值仿真的方法对流动过程进行仿真，通过改变试验模型与水槽的宽度比，对产生的壁面效应进行分析。通过分析，当试验模型与水槽的宽度比为0.25时，试验结果不会受到壁面效应的影响。当宽度比大于0.25时，试验结果将会产生最大30.2％的误差；当宽度比小于0.25时，试验结果同样不会受到壁面效应的影响，但会造成装置尺寸过大，不利于试验进行。由此确定了试验模型与水槽的宽度比，根据(2)式确定，试验模型与水槽宽度的比例关系。

3.阻挡溃坝箱中水流的闸门的设计。

试验开始前，溃坝箱应保持良好的水密性，避免水体外流；试验开始后，阻挡水流的闸门最快要求在0.05s内抬升至水体高度的4/9位置处，释放被阻挡的水体，且不能对水体流动造成阻碍。基于以上要求，采用聚四氟乙烯作为闸门滑道的材料，采用高精密加工的方式(加工精度为0.02mm)将滑道加工成“上宽下窄”的楔形槽形状，楔形槽一面垂直，另外两面倾斜，单个滑道长0.8m，对称布置在溃坝箱两侧，在很大程度上减小闸门抬升时受到的阻力。通过系列试验，将滑道两个内壁面的倾斜角度确定为1度。若倾斜角度太小，则不能很好的起到减租的效果；若倾斜角度太大，则导致滑道最上端过宽，使滑道过于臃肿。

同时采用高精密加工(加工精度为0.02mm)将另外的聚四氟乙烯材料加工为“上宽下窄”的楔形实体，使其与楔形滑道能够完全贴合。闸门主体采用4.5mm厚碳纤维板，经计算，4.5mm厚度碳纤维板在保证闸门重量较轻的同时，能承受最多1m的水压而不会发生变形。将闸门主体与楔形实体进行连接，共同构成闸门整体。在溃坝箱底部布置经过高精度加工的聚四氟乙烯凹槽，使闸门能够紧密嵌入到凹槽当中。

使用此种方法设计的水流冲击试验水槽，具有较强的稳定性，测量结果具有较高精度，能够很好的对甲板上浪问题进行研究，具有较强的工程实用性与科研价值。

基于本实施方式的溃坝室水流冲击载荷试验装置与试验方法的步骤如下：

步骤1：试验前在溃坝箱11中灌入适量的水体，试验开始时，抽出保险拴4，重物5将在重力的作用下下落，下落的重物5通过钢丝绳2带动闸门9，使闸门9在0.05s内抬升4/9的水体高度。

步骤2：闸门9抬升的过程中，溃坝箱11中的水体失去阻挡，流入冲击箱12内，对冲击箱12中的模型10进行冲击，利用试验仪器对试验现象进行记录，对试验结果进行采集。完成冲击的水流通过冲击箱底部的矩形开口流入储水箱13中暂时储存；

步骤3：利用保险拴4将重物5固定在初始位置，将闸门9放下，进行固定，保证具有良好的水密效果，将储水箱13中的水抽回溃坝箱中，完成水的循环利用。

经过以上3个步骤，一次完整的试验过程结束。

Claims (8)

1.一种溃坝式水流冲击载荷试验装置，包括水流冲击试验水槽、闸门起降系统以及水循环系统三部分，其特征是：

所述水流冲击试验水槽包括溃坝箱、冲击箱以及储水箱，溃坝箱与冲击箱相连接，溃坝箱和冲击箱位于储水箱之上，冲击箱与储水箱之间通过连通孔相连通，溃坝箱、冲击箱以及储水箱一起构成水槽主体，

所述闸门起降系统包括由两根槽钢和横梁组成的滑道支撑架，滑道支撑架与水槽主体相固连，槽钢的凹槽内镶嵌闸门滑道，闸门的两边设置滑块，滑块安装在闸门滑道内，闸门位于溃坝箱与冲击箱的交界处，滑道支撑架的横梁上设置第一定滑轮，钢丝绳的一端穿过第一定滑轮与闸门连接，钢丝绳的另一端连接配重，

所述水循环系统包括抽水机及抽水管，试验时，水由溃坝箱流出，流经冲击箱，并通过冲击箱与储水箱的连通孔流入储水箱，抽水管与储水箱相连，并通过抽水机将水体抽入溃坝箱中。

2.根据权利要求1所述的溃坝式水流冲击载荷试验装置，其特征是：还包括离体支撑架，离体支撑架设置在水槽主体的一端，离体支撑架的横梁上设置第二定滑轮，所述钢丝绳的一端先穿过第二定滑轮再穿过第一定滑轮之后与闸门连接。

3.根据权利要求2所述的溃坝式水流冲击载荷试验装置，其特征是：水槽主体的一端固连由离体支撑架固定架，离体支撑架与离体支撑架固定架连接。

4.根据权利要求1、2或3所述的溃坝式水流冲击载荷试验装置，其特征是：所述的闸门滑道是上宽下窄的楔形槽状，所述楔形槽一面垂直、另外两面倾斜；所述的滑块是与楔形槽相配合的上宽下窄的楔形实体。

5.根据权利要求4所述的溃坝式水流冲击载荷试验装置，其特征是：所述冲击箱为三侧封闭三侧开放式箱体，其中一侧侧壁为板材，另一侧为透明有机玻璃。

6.根据权利要求5所述的溃坝式水流冲击载荷试验装置，其特征是：滑道支撑架的槽钢的长度大于等于闸门滑道长度的2倍，闸门滑道与槽钢的底端平齐并固定。

7.根据权利要求6所述的溃坝式水流冲击载荷试验装置，其特征是：试验时，在溃坝箱中应积蓄的水体的长度与高度比达到1.5时，水由溃坝箱流出。

8.根据权利要求7所述的溃坝式水流冲击载荷试验装置，其特征是：溃坝箱、冲击箱以及储水箱的宽度相等，试验模型与冲击箱的宽度比为0.25。