CN110006622A - 波浪与移动式龙卷风耦合的物理模拟方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种波浪与移动式龙卷风耦合的物理模拟方法，包括以下步骤：1)将试验模型结构安装在波浪槽内；2)开启波浪槽并在波浪槽内形成设定方向和大小的波浪，并测量试验模型结构在波浪作用下受到的载荷；3)启动龙卷风模拟器模拟设定风力大小的龙卷风，并设定龙卷风模拟器的移动路径，利用龙卷风模拟器移动装置驱动龙卷风模拟器移动，并使龙卷风模拟器的移动路径由远及近或由近及远地经过试验模型结构；4)测量波浪与移动状态下的龙卷风耦合后的风场特性和试验模型结构在不同的龙卷风风场距离条件下受到的耦合载荷。本发明还公开了一种波浪与移动式龙卷风耦合的物理模拟装置。
Description
技术领域
本发明属于风洞技术领域，具体的为一种波浪与移动式龙卷风耦合的物理模拟方法及装置。
背景技术
海洋环境中有丰富的资源，在当今全球资源、能源供应紧张与人口迅速增长的矛盾日益突出的情况下，开发及利用海洋资源已经是全球经济发展的趋势。但海洋环境十分复杂，时常面临多种荷载耦合作用对海洋工程带来损坏。其中就存在龙卷风、波浪和背景风三者耦合作用的情况。龙卷风是大气中最强烈的涡旋现象，局部产生很强的风力和较大的气压变化，还常伴随着雷暴和强降水等灾害天气，破坏力极大。波浪荷载是由波浪水质点与结构的相对运动所引起的，是一种随机性运动，很难在用数学模型进行准确描述。
目前，分析波浪荷载与龙卷风风荷载对结构的耦合作用的方法，是采用先单独分析波浪荷载和龙卷风荷载对结构的作用，再通过叠加的方式，来分析不同荷载耦合作用对结构的响应。这种单独分析再组合的方法，无法考虑不同荷载之间的相互影响、相互耦合的效应。而且在实际情况中，龙卷风发生时的风场特性是随时间和空间的变化的，波浪荷载也是种随机性运动。因此，现有的技术方法既无法考虑多种荷载的相互作用及耦合效应，同时也无法模拟荷载随空间、时间的变化情况，从而无法得到多种荷载耦合作用效应下结构的真实响应。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种波浪与移动式龙卷风耦合的物理模拟方法及装置，能够模拟龙卷风风荷载以及波浪荷载对试验模型结构的耦合作用，并能考虑龙卷风和波浪荷载的随机性，更准确的分析试验模型结构在该两种不同荷载耦合作用下的真实响应情况。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种波浪与移动式龙卷风耦合的物理模拟方法，包括以下步骤：
1)将试验模型结构安装在波浪槽内；
2)开启波浪槽并在波浪槽内形成设定方向和大小的波浪，并测量试验模型结构在波浪作用下受到的载荷；
3)启动龙卷风模拟器模拟设定风力大小的龙卷风，并设定龙卷风模拟器的移动路径，利用龙卷风模拟器移动装置驱动龙卷风模拟器移动，并使龙卷风模拟器的移动路径由远及近或由近及远地经过试验模型结构；
4)测量波浪与移动状态下的龙卷风耦合后的风场特性和试验模型结构在不同的龙卷风风场距离条件下受到的耦合载荷。
进一步，所述步骤2)中，所述波浪槽内设有底部振动盒和与侧部振动盒，分别向底部振动盒和侧部振动盒输入高频脉动信号，可在所述波浪槽内模拟不同方向和大小的波浪，并采用压力扫描阀测量试验模型结构在波浪作用下受到的载荷。
进一步，所述步骤4)中，采用眼镜蛇风速探测仪测量波浪与移动状态下的龙卷风耦合后的风场特性，并利用压力扫描阀测量试验模型结构受到的耦合载荷。
本发明还提出了一种适用于如上所述波浪与移动式龙卷风耦合的物理模拟方法的波浪与移动式龙卷风耦合的物理模拟装置，包括波浪槽和设置在波浪槽上方的龙卷风模拟器移动装置，所述龙卷风模拟器移动装置包括分别位于两侧的纵向滑动板，两块所述纵向滑动板之间设有横向滑轨，所述横向滑轨上设有与其滑动配合的模拟器安装板，所述纵向滑动板上设有用于驱动所述模拟器安装板沿着所述横向滑轨移动的横向移动驱动机构；
还包括与所述纵向滑动板一一对应设置的纵向滑轨，所述纵向滑动板滑动配合安装在所述纵向滑轨上；所述纵向滑轨的两端分别设有固定架，所述固定架上设有用于驱动所述纵向滑动板沿着所述纵向滑轨移动的纵向移动驱动机构；
所述固定架的下方设有支撑立柱；
所述模拟器安装板上设有用于模拟龙卷风的龙卷风模拟器。
进一步，所述横向移动驱动机构包括设置在两块所述纵向滑动板之间并与所述横向滑轨平行的横向螺杆，所述横向螺杆与所述模拟器安装板之间螺纹配合，且所述纵向滑动板上设有用于驱动所述螺杆转动的横向驱动电机。
进一步，所述纵向移动驱动机构包括设置与所述纵向滑轨平行的纵向螺杆，所述纵向螺杆的两端分别旋转配合安装在所述固定架上，且所述纵向螺杆与所述纵向滑动板之间螺纹配合，所述固定架上设有用于驱动所述纵向螺杆旋转的纵向驱动电机。
进一步，所述支撑立柱采用伸缩杆并包括位于下方的套杆和滑动套装在所述套杆内的芯杆。
进一步，所述支撑立柱的套杆之间安装设有用于挡风的侧挡板。
进一步，所述模拟器安装板上设有模拟器安装架，所述模拟器安装架上设有竖直滑轨，所述龙卷风模拟器滑动配合安装在所述竖直滑轨上，且所述模拟器安装架上设有用于驱动所述龙卷风模拟器沿着所述竖直滑轨移动的模拟器驱动机构。
进一步，所述龙卷风模拟器上设有与所述竖直滑轨滑动配合的竖直滑块，所述模拟器驱动机构包括与所述竖直滑轨平行的模拟器驱动螺杆，所述模拟器驱动螺杆与其中一块所述竖直滑块之间螺纹配合，且所述竖直滑轨上固定安装设有用于驱动所述模拟器驱动螺杆转动的模拟器驱动电机。
本发明的有益效果在于：
本发明的波浪与移动式龙卷风耦合的物理模拟方法，通过在波浪槽内模拟大小和方向的波浪，再利用龙卷风模拟器模拟龙卷风，且龙卷风模拟器在龙卷风模拟器移动装置的作用下移动，如此，即可规划龙卷风模拟器的移动路径，使其路径由远及近或由近及远地经过试验模型结构，即可直接测量波浪与移动状态下的龙卷风耦合后的风场特性和试验模型结构受到的耦合载荷，并能考虑龙卷风和波浪荷载的随机性，更准确的分析试验模型结构在背景风及两种不同荷载耦合作用下的真实响应情况。
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为本发明波浪与移动式龙卷风耦合的物理模拟装置实施例的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1的A详图；
图4为龙卷风模拟器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
如图1所示，为本发明波浪与移动式龙卷风耦合的物理模拟装置实施例的结构示意图。本实施例的移动式龙卷风耦合的物理装置，包括龙卷风模拟器移动装置。本实施例的龙卷风模拟器移动装置包括分别位于两侧的纵向滑动板1，两块纵向滑动板1之间设有横向滑轨2，横向滑轨2上设有与其滑动配合的模拟器安装板3，纵向滑动板1上设有用于驱动模拟器安装板3沿着横向滑轨2移动的横向移动驱动机构。本实施例的横向滑轨2设置为两根，两根横向滑轨2分别设置在龙卷风模拟器7的两侧。
本实施例的龙卷风模拟器移动装置还包括与纵向滑动板1一一对应设置的纵向滑轨4，纵向滑动板1滑动配合安装在纵向滑轨4上；纵向滑轨4的两端分别设有固定架5，固定架5上设有用于驱动纵向滑动板1沿着纵向滑轨4移动的纵向移动驱动机构。本实施例的纵向滑轨4设置为两根，两根纵向滑轨4分别与两块纵向滑动板1之间滑动配合。
固定架5的下方设有支撑立柱6，本实施例的支撑立柱6采用伸缩杆并包括位于下方的套杆6a和滑动套装在套杆6a内的芯杆6b，用于调节龙卷风模拟器7的高度。优选的，支撑立柱的套杆6a之间安装设有用于挡风的侧挡板17，防止水平方向的风对实验结构造成影响。
模拟器安装板3上设有用于模拟龙卷风的龙卷风模拟器7，模拟器安装板3上与龙卷风模拟器7的出风口对应设有模拟风口。
进一步，本实施例的横向移动驱动机构包括设置在两块纵向滑动板1之间并与横向滑轨2平行的横向螺杆8，横向螺杆8与模拟器安装板3之间螺纹配合，且纵向滑动板1上设有用于驱动螺杆8转动的横向驱动电机9。利用横向螺杆8与模拟器安装板3之间的螺纹配合结构，可驱动模拟器安装板3沿着横向滑轨2移动。
进一步，本实施例的纵向移动驱动机构包括设置与纵向滑轨4平行的纵向螺杆10，纵向螺杆10的两端分别旋转配合安装在固定架5上，且纵向螺杆10与纵向滑动板1之间螺纹配合，固定架5上设有用于驱动纵向螺杆10旋转的纵向驱动电机11。利用纵向螺杆10与纵向滑动板1之间的螺纹配合结构，可驱动纵向滑动板1沿着纵向滑轨4移动，进而带动龙卷风模拟器7纵向移动。
进一步，本实施例的模拟器安装板3上设有模拟器安装架12，模拟器安装架12上设有竖直滑轨13，龙卷风模拟器7滑动配合安装在竖直滑轨13上，且模拟器安装架12上设有用于驱动龙卷风模拟器7沿着竖直滑轨13移动的模拟器驱动机构。本实施例的龙卷风模拟器7上设有与竖直滑轨13滑动配合的竖直滑块14，模拟器驱动机构包括与竖直滑轨13平行的模拟器驱动螺杆15，模拟器驱动螺杆15与其中一块竖直滑块14之间螺纹配合，且竖直滑轨13上固定安装设有用于驱动模拟器驱动螺杆15转动的模拟器驱动电机16。通过设置模拟器驱动机构，能够驱动龙卷风模拟器7沿着竖直滑轨13移动，调节龙卷风模拟器7的竖直高度。
进一步，本实施例的龙卷风模拟器包括中心风道18、第一导流风道19和第二导流风道20，中心风道18内安装设有模拟风机。具体的，本实施例的第一导流风道19位于中心风道18与第二导流风道20之间。本实施例的模拟风机包括电机28和安装在电机28的输出轴上的叶轮29；电机28外还设有导流罩30。
本实施例的第一导流风道19的进风端与模拟风机的出风端相连通，第一导流风道19的出风端与模拟风机的进风端相连通，且第一导流风道19的进风端与模拟风机的出风端之间设有第一阀门21。优选的，第一导流风道19以中心风道18的轴线为中心线环形均布设为至少两根，本实施例的第一导流风道19以中心风道18的轴线为中心线环形均布设为至少4根，能够有效分散气流减小阻力，且使气流分布更加均匀。本实施例的第一导流风道19的出风端设有第五阀门26，能够防止第一导流风道19对中心风道18内的气流造成影响。
本实施例的第二导流风道20的进风端与模拟风机的出风端相连通，且第二导流风道20的进风端与模拟风机的出风端之间设有第二阀门22；第二导流通道3的出风端设置在中心风道18背向模拟风机出风端的一端的四周，或第二导流通道3的出风端设有环形出风口，环形出风口罩设在中心风道18背向模拟风机出风端的一端外。具体的，第二导流通道3的出风端环形均布设置在中心风道18的四周，或环形出风口与中心风道18同轴设置。本实施例的第二导流通道3的出风端设有环形出风口。
中心风道18上设有位于模拟风机进风端与第一导流风道19的出风端之间的第二进风通道23，第二进风通道23上设有第三阀门24。优选的，第二进风风道236相对于中心风道18的轴线呈环形均布设置，使进气气流分布更加均匀。
中心风道18上设有位于第二进风通道23与第一导流风道19的出风端之间的第四阀门25。本实施例的中心风道18的轴线位于竖直方向，模拟风机的出风端位于其进风端的上方，中心风道18的最下端设有蜂窝器27。优选的，中心风道18、第一导流风道19和第二导流风道20的转角处分别设有导流板31，用于气流导流。
采用本实施例波浪与移动式龙卷风耦合的物理模拟装置的波浪与移动式龙卷风耦合的物理模拟方法，包括如下步骤：
1)将试验模型结构安装在波浪槽32内；
2)开启波浪槽32并在波浪槽32内形成设定方向和大小的波浪，并测量试验模型结构在波浪作用下受到的载荷；本实施例的所述波浪槽32内设有底部振动盒32a和与侧部振动盒32b，分别向底部振动盒32a和侧部振动盒32b输入高频脉动信号，可在所述波浪槽32内模拟不同方向和大小的波浪，并采用压力扫描阀测量试验模型结构在波浪作用下受到的载荷；
3)启动龙卷风模拟器7模拟设定风力大小的龙卷风，并设定龙卷风模拟器7的移动路径，利用龙卷风模拟器移动装置驱动龙卷风模拟器7移动，并使龙卷风模拟器7的移动路径由远及近或由近及远地经过试验模型结构；
4)测量波浪与移动状态下的龙卷风耦合后的风场特性和试验模型结构在不同的龙卷风风场距离条件下受到的耦合载荷。本实施例采用眼镜蛇风速探测仪测量波浪与移动状态下的龙卷风耦合后的风场特性，并利用压力扫描阀测量试验模型结构受到的耦合载荷。
本实施例的波浪与移动式龙卷风耦合的物理模拟方法，通过在波浪槽内模拟大小和方向的波浪，再利用龙卷风模拟器模拟龙卷风，且龙卷风模拟器在龙卷风模拟器移动装置的作用下移动，如此，即可规划龙卷风模拟器的移动路径，使其路径由远及近或由近及远地经过试验模型结构，即可直接测量波浪与移动状态下的龙卷风耦合后的风场特性和试验模型结构受到的耦合载荷，并能考虑龙卷风和波浪荷载的随机性，更准确的分析试验模型结构在背景风及两种不同荷载耦合作用下的真实响应情况。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种波浪与移动式龙卷风耦合的物理模拟方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)将试验模型结构安装在波浪槽内；
2)开启波浪槽并在波浪槽内形成设定方向和大小的波浪，并测量试验模型结构在波浪作用下受到的载荷；
3)启动龙卷风模拟器模拟设定风力大小的龙卷风，并设定龙卷风模拟器的移动路径，利用龙卷风模拟器移动装置驱动龙卷风模拟器移动，并使龙卷风模拟器的移动路径由远及近或由近及远地经过试验模型结构；
4)测量波浪与移动状态下的龙卷风耦合后的风场特性和试验模型结构在不同的龙卷风风场距离条件下受到的耦合载荷。
2.根据权利要求1所述波浪与移动式龙卷风耦合的物理模拟方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述波浪槽内设有底部振动盒和与侧部振动盒，分别向底部振动盒和侧部振动盒输入高频脉动信号，可在所述波浪槽内模拟不同方向和大小的波浪，并采用压力扫描阀测量试验模型结构在波浪作用下受到的载荷。
3.根据权利要求1所述波浪与移动式龙卷风耦合的物理模拟方法，其特征在于：所述步骤4)中，采用眼镜蛇风速探测仪测量波浪与移动状态下的龙卷风耦合后的风场特性，并利用压力扫描阀测量试验模型结构受到的耦合载荷。
4.一种适用于如权利要求1-3任一项所述波浪与移动式龙卷风耦合的物理模拟方法的波浪与移动式龙卷风耦合的物理模拟装置，其特征在于：包括波浪槽和设置在波浪槽上方的龙卷风模拟器移动装置，所述龙卷风模拟器移动装置包括分别位于两侧的纵向滑动板(1)，两块所述纵向滑动板(1)之间设有横向滑轨(2)，所述横向滑轨(2)上设有与其滑动配合的模拟器安装板(3)，所述纵向滑动板(1)上设有用于驱动所述模拟器安装板(3)沿着所述横向滑轨(2)移动的横向移动驱动机构；
还包括与所述纵向滑动板(1)一一对应设置的纵向滑轨(4)，所述纵向滑动板(1)滑动配合安装在所述纵向滑轨(4)上；所述纵向滑轨(4)的两端分别设有固定架(5)，所述固定架(5)上设有用于驱动所述纵向滑动板(1)沿着所述纵向滑轨(4)移动的纵向移动驱动机构；
所述固定架(5)的下方设有支撑立柱(6)；
所述模拟器安装板(3)上设有用于模拟龙卷风的龙卷风模拟器(7)。
5.根据权利要求4所述波浪与移动式龙卷风耦合的物理模拟装置，其特征在于：所述横向移动驱动机构包括设置在两块所述纵向滑动板(1)之间并与所述横向滑轨(2)平行的横向螺杆(8)，所述横向螺杆(8)与所述模拟器安装板(3)之间螺纹配合，且所述纵向滑动板(1)上设有用于驱动所述螺杆(8)转动的横向驱动电机(9)。
6.根据权利要求4所述波浪与移动式龙卷风耦合的物理模拟装置，其特征在于：所述纵向移动驱动机构包括设置与所述纵向滑轨(4)平行的纵向螺杆(10)，所述纵向螺杆(10)的两端分别旋转配合安装在所述固定架(5)上，且所述纵向螺杆(10)与所述纵向滑动板(1)之间螺纹配合，所述固定架(5)上设有用于驱动所述纵向螺杆(10)旋转的纵向驱动电机(11)。
7.根据权利要求4所述波浪与移动式龙卷风耦合的物理模拟装置，其特征在于：所述支撑立柱(6)采用伸缩杆并包括位于下方的套杆(6a)和滑动套装在所述套杆(6a)内的芯杆(6b)。
8.根据权利要求4所述波浪与移动式龙卷风耦合的物理模拟装置，其特征在于：所述支撑立柱的套杆(6a)之间安装设有用于挡风的侧挡板(17)。
9.根据权利要求4-7任一项所述波浪与移动式龙卷风耦合的物理模拟装置，其特征在于：所述模拟器安装板(3)上设有模拟器安装架(12)，所述模拟器安装架(12)上设有竖直滑轨(13)，所述龙卷风模拟器(7)滑动配合安装在所述竖直滑轨(13)上，且所述模拟器安装架(12)上设有用于驱动所述龙卷风模拟器(7)沿着所述竖直滑轨(13)移动的模拟器驱动机构。
10.根据权利要求8所述波浪与移动式龙卷风耦合的物理模拟装置，其特征在于：所述龙卷风模拟器(7)上设有与所述竖直滑轨(13)滑动配合的竖直滑块(14)，所述模拟器驱动机构包括与所述竖直滑轨(13)平行的模拟器驱动螺杆(15)，所述模拟器驱动螺杆(15)与其中一块所述竖直滑块(14)之间螺纹配合，且所述竖直滑轨(13)上固定安装设有用于驱动所述模拟器驱动螺杆(15)转动的模拟器驱动电机(16)。
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