CN110082064B - 滑轨式螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置及模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种滑轨式螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置及模拟方法，主要包括水槽、滑台、滑轨、船模和螺旋桨；滑轨固定于水槽两侧，滑台置于滑轨上，可沿滑轨做水平运动，可随滑台移动。滑台上装有电源、电机、信号接收器、回转机构和调节杆；电机通过链轮和链条驱动滑台沿水槽移动，回转机构实现螺旋桨和船模调头，调节杆可调节船模和螺旋桨吃水深度。本发明能够在室内模拟船舶及螺旋桨移动速度及方向、船舶吃水深度、螺旋桨转速及入水深度，观测螺旋桨射流和船行波的流场结构、紊动特征、及对沉积物起悬和污染物迁移特征的影响，为航道底泥内源污染释放机理研究提供了有力的观测手段。

Description

滑轨式螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置及模拟方法

技术领域

本发明涉及一种滑轨式螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置及模拟方法，属于环保技术领域。

背景技术

航运作为现代综合运输体系的重要组成部分，以其投资少，运力大、成本和能耗低的优势，成为我国大宗货物的主要运输方式。截至2017年底，全国内河航道通航里程达到12.70万公里，水运实现货物周转量98611.25亿吨公里，占货物周转总量的51%。然而，船舶航行会扰动航道底部沉积物，引发污染物在水土界面迁移，破坏水生植物、底栖动物和鱼类生境，对水环境和水生态产生不利影响。尤其对于水深较浅、流速缓慢、通航里程占比超过90%的四级及以下内河航道，船行扰动对底泥内源污染释放的影响更为显著。航道作为周边陆域污染源的受纳水体，其底泥成为各类污染物沉积富集的重要场所。因此，研究船行扰动条件下底泥污染物水-土界面迁移机理，对于准确把控航道内源污染释放量具有重要的学术意义和应用价值。

船舶在航行过程中，由于船体推挤水体形成波浪，沿航行方向形成放射锥形船行波，对河流底部产生扰动；同时，船舶尾部产生的螺旋桨射流对航道底泥的扰动作用更为巨大。由于螺旋桨射流和船行波在水动力作用方式上存在较大差别，导致船舶航行产生的水动力特征十分复杂。目前，国内外针对船行扰动对底泥污染迁移影响的研究大部分采用原位观测法，这对于研究真实水流条件下的底泥污染释放特征具有重要意义。但是外界环境的多变以及高度不确定性，尤其是在航道内行驶的船舶本身给现场观测带来诸多不便，而且现场观测难以控制船舶行驶状态，难以真实捕捉不同水动力条件下的沉积物起悬及底泥污染释放特征，因此，在室内构建模拟船舶航行产生的波浪和水流条件的试验平台是非常有意义的，有利于在船舶航行和螺旋桨运转的可控条件下开展深入研究。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种滑轨式螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置，能够在室内分别模拟螺旋桨射流和船行波作用对水体产生的扰动，通过精确控制船舶及螺旋桨移动速度及方向、船舶吃水深度、螺旋桨转速及入水深度，可开展船舶航行流场结构、紊动特征、及对沉积物起悬和内源污染释放的影响等研究。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种滑轨式螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置，包括有机玻璃水箱、滑台、电动推进器和船模，有机玻璃水箱内盛有水，滑台位于有机玻璃水箱上方带动电动推进器和船模沿有机玻璃水箱移动，船模漂浮于水面，电动推进器位于水面以下；

所述有机玻璃水箱为长条槽状结构，沿其长度方向的两侧设有滑轨，有机玻璃水箱上部设有滑台，滑台的两侧具有在滑轨上滚动的辊轮，所述滑台的一侧设有辊轮电机，辊轮电机的动力输出端具有链轮，辊轮电机同侧的辊轮外侧固定有驱动轮，链轮与驱动轮之间绕有链条；

所述滑台中心开设有圆孔，圆孔内设有限位其内转动的回转盘，该回转盘上部具有转动齿轮，转动齿轮位于滑台的圆孔外，滑台上还设有带动回转盘转动的减速步进电机，滑台上具有用于测量转动齿轮转动角度的刻度尺。

所述滑台上安装有钢支架，钢支架垂直于滑台，钢支架上安装有两个双导轨直线模组滑块，双导轨直线模组滑块可沿钢支架上下活动，两个双导轨直线模组滑块下部分别设置有船模调节杆和螺旋桨调节杆，船模调节杆和螺旋桨调节杆均纵向贯穿回转盘，船模调节杆和螺旋桨调节杆的下端分别设置有船模和电动推进器。

作为进一步的优选方案，所述有机玻璃水箱的侧边具有辊轮支架，滚轮支架内设置有辊轮轴，辊轮轴可在滚轮支架内转动，所述辊轮固定于辊轮轴上；所述驱动轮的中心轴连接辊轮轴。

作为进一步的优选方案，所述滑台上安装有用于远程遥控辊轮电机、减速步进电机、电动推进器和双导轨直线模组滑块启动和关闭无线电接收器。

作为进一步的优选方案，所述滑台侧部还设置有电磁制动器，电磁制动器作用于滑轨，通过无线电接收器接受的信号控制滑台制动。

作为进一步的优选方案，所述滑台上设置有蓄电池，蓄电池为辊轮电机、减速步进电机、电动推进器和双导轨直线模组滑块提供动力。

作为进一步的优选方案，所述滑台上还设置有测速传感器。

一种滑轨式螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置的模拟方法，包括以下步骤：

步骤一：检查电气系统各开关和显示仪表正常，滑台移动流畅，电磁制动器制动可靠，船模调节杆和螺旋桨调节杆上下移动流畅，回转盘旋转角度准确；

步骤二：打开有机玻璃水箱上的进水阀门，往有机玻璃水箱内注入试验用水，水位控制比水槽侧板高度低200mm左右；

步骤三：按照试验需要，分别调整支架上的两套双导轨直线模组滑块带动船模调节杆和螺旋桨调节杆改变船模和电动推进器的吃水深度；

步骤四：启动辊轮电机正反转，使滑台沿滑轨前后移动，移动过程中调节辊轮电机的转速，控制滑台运动速度，模拟不同航速条件下形成的船行波；

步骤五：启动电动推进器上螺旋桨电机，通过改变电机转速而改变螺旋桨转速，模拟不同转速条件下形成的螺旋桨射流；

步骤六：在不同的螺旋桨射流和船行波扰动状态下，开展流场结构测量、沉积物起动和悬浮特征观测、样品采集等相关试验研究工作。

作为进一步的优选方案，所述步骤四中，当滑台沿滑轨移动至有机玻璃水箱端部时，启动减速步进电机，带动回转盘转动，调转电动推进器和船模的方向，以便前后移动。

与现有技术相比，本发明的一种滑轨式螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置，能够在室内模拟船舶及螺旋桨移动速度及方向、船舶吃水深度、螺旋桨转速及入水深度，观测螺旋桨射流和船行波的流场结构、紊动特征、及对沉积物起悬和污染物迁移特征的影响，为航道底泥内源污染释放机理研究提供了有力的观测手段。

附图说明

图1是本发明的主视图；

图2是本发明的左视图；

图3是本发明的右视图；

图4是本发明的俯视图；

图5是本发明驱动部分视图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选技术方案。

本发明的本发明的一种滑轨式螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置，包括电动推进器1、船模2、水箱钢结构架3、有机玻璃水箱4、滑轨5、辊轮6、辊轮轴7、滚轮支架8、滑台9、转动齿轮10、锂电池11、无线电接收器12、小齿轮13、减速步进电机14、船模调节杆15、双导轨直线模组滑块16、H型钢支架17、螺旋桨调节杆18、直线轴承19、回转轴承20、电磁制动器21、测速传感器22、辊轮电机23、链轮24、链条25、驱动轮26等部分组成。

本装置依靠水箱钢结构架3支撑，滑台9装有4个辊轮6、辊轮轴7及滚轮支架8，1个驱动轮26。滑台9由辊轮电机23通过链轮24、链条25带动驱动轮26，使滑台9沿固定在有机玻璃水箱4两侧支架上的滑轨5运动。

滑台9上装有减速步进电机14、回转轴承20和转动齿轮10，减速步进电机1的动力输出端为小齿轮13的装置。依靠遥控器可以使转动齿轮10上装的船模2和电动推进器1的螺旋桨实现0°~180°的旋转。转动齿轮10上装有H型的钢支架17，钢支架17上装有两套双导轨直线模组滑块16的驱动装置，上面分别装有船模调节杆15、螺旋桨调节杆18和直线轴承19，依靠控制器可以使航船2和电动推进器1的螺旋桨沿直线轴承19在0—800mm范围内上下调节。

滑台9上的回转机构依靠电机减速机14、回转轴承20、转动齿轮10和小齿轮13使回转盘180°旋转，实现电动推进器1和船模2调头，模拟船舶航行的顺水流和逆水流情景；其中，直线轴承19可保证螺旋桨调节杆18、直线轴承19升降更加舒畅

本装置滑台9上装有无线电接收器12，可以通过手持无线电发射器实现：a滑台9启动和停止以及左右移动的换向和无级变速；b船模2和电动推进器1的调头；c电动推进器1的螺旋桨启动和停止；d船模2和电动推进器1的上下调节等功能的遥控。

本装置滑台9上安装两组锂电池11，一组锂电池11供电机23、电磁制动器21、测速传感器22、减速步进电机14和无线电接收器12；另一组供双导轨直线模组滑块16和电动推进器1。电磁制动器21实现滑台9的减速和制动功能，测速传感器22用于测量滑台9运动速度。

滑轨式螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置的模拟方法，包括以下步骤：

步骤一：检查电气系统各开关和显示仪表正常，滑台9移动流畅，电磁制动器21制动可靠，船模调节杆15和螺旋桨调节杆18上下移动流畅，回转盘旋转角度准确；

步骤二：打开有机玻璃水箱4上的进水阀门，往有机玻璃水箱4内注入试验用水，水位控制比水槽侧板高度低200mm左右；

步骤三：按照试验需要，分别调整支架17上的两套双导轨直线模组滑块16带动船模调节杆15和螺旋桨调节杆18改变船模2和电动推进器1的吃水深度；

步骤四：启动辊轮电机23正反转，使滑台9沿滑轨5前后移动，移动过程中调节辊轮电机23的转速，控制滑台9运动速度，模拟不同航速条件下形成的船行波；

步骤五：启动电动推进器1上螺旋桨电机，通过改变电机转速而改变螺旋桨转速，模拟不同转速条件下形成的螺旋桨射流；

步骤六：在不同的螺旋桨射流和船行波扰动状态下，开展流场结构测量、沉积物起动和悬浮特征观测、样品采集等相关试验研究工作

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.滑轨式螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置，其特征在于：包括有机玻璃水箱(4)、滑台(9)、电动推进器(1)和船模(2)，有机玻璃水箱(4)内盛有水，滑台(9)位于有机玻璃水箱(4)上方带动电动推进器(1)和船模(2)沿有机玻璃水箱(4)移动，船模(2)漂浮于水面，电动推进器(1)位于水面以下；

所述有机玻璃水箱(4)为长条槽状结构，沿其长度方向的两侧设有滑轨(5)，有机玻璃水箱(4)上部设有滑台(9)，滑台(9)的两侧具有在滑轨(5)上滚动的辊轮(6)，所述滑台(9)的一侧设有辊轮电机(23)，辊轮电机(23)的动力输出端具有链轮(24)，辊轮电机(23)同侧的辊轮(6)外侧固定有驱动轮(26)，链轮(24)与驱动轮(26)之间绕有链条(25)；

所述滑台(9)中心开设有圆孔，圆孔内设有限位其内转动的回转盘，该回转盘上部具有转动齿轮(10)，转动齿轮(10)位于滑台(9)的圆孔外，滑台(9)上还设有带动回转盘转动的减速步进电机(14)，滑台(9)上具有用于测量转动齿轮(10)转动角度的刻度尺；

所述滑台(9)上安装有钢支架(17)，钢支架(17)垂直于滑台(9)，钢支架(17)上安装有两个双导轨直线模组滑块(16)，双导轨直线模组滑块(16)可沿钢支架(17)上下活动，两个双导轨直线模组滑块(16)下部分别设置有船模调节杆(15)和螺旋桨调节杆(18)，船模调节杆(15)和螺旋桨调节杆(18)均纵向贯穿回转盘，船模调节杆(15)和螺旋桨调节杆(18)的下端分别设置有船模(2)和电动推进器(1)。

2.根据权利要求1所述的滑轨式螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置，其特征在于：所述有机玻璃水箱(4)的侧边具有辊轮支架(8)，辊轮支架(8)内设置有辊轮轴(7)，辊轮轴(7)可在辊轮支架(8)内转动，所述辊轮(6)固定于辊轮轴(7)上；所述驱动轮(26)的中心轴连接辊轮轴(7)；所述滑台(9)上安装有用于分别远程遥控辊轮电机(23)、减速步进电机(14)、电动推进器(1)和双导轨直线模组滑块(16)启动和关闭的无线电接收器(12)；所述滑台(9)侧部还设置有电磁制动器(21)，电磁制动器(21)作用于滑轨(5)，通过无线电接收器(12)接受的信号控制滑台(9)制动；所述滑台(9)上设置有蓄电池(11)，蓄电池(11)为辊轮电机(23)、减速步进电机(14)、电动推进器(1)和双导轨直线模组滑块(16)提供动力；所述滑台(9)上还设置有测速传感器(22)。

3.根据权利要求2所述的滑轨式螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置的模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：检查电气系统各开关和显示仪表正常，滑台(9)移动流畅，电磁制动器(21)制动可靠，船模调节杆(15)和螺旋桨调节杆(18)上下移动流畅，回转盘旋转角度准确；

步骤二：打开有机玻璃水箱(4)上的进水阀门，往有机玻璃水箱(4)内注入试验用水，水位控制比水槽侧板高度低200mm；

步骤三：按照试验需要，分别调整钢支架(17)上的两套双导轨直线模组滑块(16)带动船模调节杆(15)和螺旋桨调节杆(18)改变船模(2)和电动推进器(1)的吃水深度；

步骤四：启动辊轮电机(23)正反转，使滑台(9)沿滑轨(5)前后移动，移动过程中调节辊轮电机(23)的转速，控制滑台(9)运动速度，模拟不同航速条件下形成的船行波；

步骤五：启动电动推进器(1)上螺旋桨电机，通过改变电机转速而改变螺旋桨转速，模拟不同转速条件下形成的螺旋桨射流；

步骤六：在不同的螺旋桨射流和船行波扰动状态下，开展流场结构测量、沉积物起动和悬浮特征观测、样品采集相关试验研究工作。

4.根据权利要求3所述的滑轨式螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置的模拟方法，包括以下步骤：所述步骤四中，当滑台(9)沿滑轨(5)移动至有机玻璃水箱(4)端部时，启动减速步进电机(14)，带动回转盘转动，调转电动推进器(1)和船模(2)的方向，以便前后移动。

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