CN110296812A - 牵引式推进螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置及试验方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种牵引式推进螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置期试验方法，装置包括：透明水槽，为长条槽状结构；模型船，模型船上可拆卸连接有推进螺旋桨；牵引机构，包括牵引绳、以及与所述牵引绳驱动连接的驱动机构，驱动机构通过牵引绳牵引所述模型船在透明水槽中沿水槽长度方向以不同的速度水平移动；竖直升降机构，用于改变所述模型船位于透明水槽中的吃水深度；水动力观测仪器，用于对水槽中的水体进行观测和水样采集装置。本发明能够在室内模拟船舶及推进螺旋桨移动速度及方向、船舶吃水深度、推进螺旋桨转速及入水深度，观测推进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。

Description

牵引式推进螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置及试验 方法

技术领域

本发明涉及一种牵引式推进螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置及试验方法，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，船舶尾部产生的推进螺旋桨射流对航道底泥的扰动作用更为巨大。由于推进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推进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，本发明提供一种牵引式推进螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置，在不同环境条件下，能够在室内模拟船行波和推进螺旋桨射流作用对水体扰动过程，通过精确控制船舶及推进螺旋桨移动速度、船舶吃水深度、推进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。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种牵引式推进螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置，包括：

透明水槽，为长条槽状结构，用于盛装一定深度的水；

模型船，设置在所述透明水槽中，用于模拟船舶，模型船上可拆卸连接有推进螺旋桨；

牵引机构，包括牵引绳、以及与所述牵引绳驱动连接的驱动机构，驱动机构通过牵引绳牵引所述模型船在透明水槽中沿水槽长度方向以不同的速度水平移动；

竖直升降机构，用于改变所述模型船位于透明水槽中的吃水深度；

水动力观测仪器，设置在透明水槽的水体中，用于对水槽中的水体进行观测；

水样采集装置，用于对水槽中的水样进行采集。

所述牵引机构包括：

支撑架，设置在透明水槽的底部，用于对所述透明水槽进行支撑固定；

驱动轮，驱动轮上设有牵引绳，驱动轮的轮轴通过联轴器与驱动电机连接；

多个换向轮，通过轮架设置在所述透明水槽的周围，用于对所述牵引绳的牵引方向进行换向；

模型船上设有与所述牵引绳固定连接的船体连接部。

所述换向轮包括：

沿透明水槽长度方向固定设置在透明水槽一端上部的第五换向轮对、第六换向轮对和位于第五换向轮对、第六换向轮对下方的第一换向轮对；

沿透明水槽长度方向设置在透明水槽另一端底部的第二换向轮对和位于第二换向轮对上方的第三换向轮对和第四换向轮对；

驱动轮上的牵引绳一端依次经第一换向轮对、第二换向轮对、第三换向轮对、第四换向轮对、第五换向轮对以及第六换向轮对后回到驱动轮与牵引绳另一端首尾相接。

所述竖直升降机构包括结构相同的两个竖直升降单元，分别是设置在透明水槽上位于所述第五换向轮对、第六换向轮对处的第一竖直升降单元、以及设置在透明水槽上位于所述第三换向轮对、第四换向轮对处的第二竖直升降单元；

第一竖直升降单元包括：第一升降支架、以及设置在第一升降支架上的第一手轮、第一锥齿轮换向传动机构、第一螺纹杆、第一移动螺母副和第一换向轮连接架，其中，所述第一手轮通过第一锥齿轮换向传动机构与所述第一螺纹杆传动连接，第一螺纹杆上螺纹连接有第一移动螺母副，所述第一移动螺母副上固定连接所述第一换向轮连接架，所述第一换向轮连接架上固定连接有所述第四换向轮对；

第二竖直升降单元包括：第二升降支架、以及设置在第二升降支架上的第二手轮、第二锥齿轮换向传动机构、第二螺纹杆、第二移动螺母副和第二换向轮连接架，其中，所述第二手轮通过第二锥齿轮换向传动机构与所述第二螺纹杆传动连接，第二螺纹杆上螺纹连接有第二移动螺母副，所述第二移动螺母副上固定连接所述第二换向轮连接架，所述第二换向轮连接架上固定连接有所述第五换向轮对。

还包括张紧换向轮，所述张紧换向轮串设于所述第二换向轮和第三换向轮之间，张紧换向轮的底部与以滑动支撑座固定连接，滑动支撑座与所述支撑架的水平底座之间滑动连接；

伸缩单元，与所述张紧换向轮连接，用于对牵引绳施加张紧力。

所述伸缩单元为液压伸缩机构、气压伸缩机构或直线伸缩电机中的任一种。

所述牵引绳为钢丝绳，所述模型船的前部和后部分别对称设有用于与钢丝绳连接有的固定柱。

所述透明水槽的材料为透明有机玻璃。

本发明还进一步公开了基于所述的牵引式推进螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置的试验方法，包括以下几个步骤：

S1、向有机透明水槽中注入一定深度的清水，将模型船与牵引绳连接固定；

S2、调节竖直升降机构，调节模型船吃水至预定深度；

S3、启动牵引机构，牵引所述模型船在透明水槽中沿水槽长度方向以不同的速度水平移动；

S4、模型船行驶至透明水槽一侧，将模型船与牵引绳反向连接，实现模型船掉头行驶；

S5、调节牵引机构转速，模拟模型船不同航行速度；

S6、将推进螺旋桨与模型船组合，通过调节推进螺旋桨电机转速，航模上的电机驱动螺旋桨可以搅动水箱中的水，调整推进螺旋桨旋转速度，模拟船行波与推进螺旋桨射流共同作用对水体扰动过程；

S7、结合水动力观测仪器及水样采集装置，在室内实现船行波与推进螺旋桨射流共同作用条件下，对河道流场结构、紊流特征、及沉积物起悬和内源污染释放进行相关科学研究。

所述水动力观测仪器包括水位观测仪、流速观测仪和波浪观测仪。

有益效果：

本发明的一种牵引式推进螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置，可以模拟船舶在不同航行速度条件下产生的船行波对水体及沉积物的扰动过程，进而在室内观测与研究船舶航行对内源污染物迁移和释放的影响。

同时也可以将模型船与推进螺旋桨组装，模拟船行波与推进螺旋桨射流协同作用对水体及沉积物的扰动，在室内开展相关研究。

通过物理模型的手段，解决了野外实船观测操作难度大、船舶行驶状态难以控制、外部环境条件复杂等问题，有利于开展水样及悬浮物样本采集，研究船舶不同航行状态下的沉积物内源污染迁移及释放规律。

附图说明

图1 是本发明装置总体结构示意图。

图2 是本发明图1的俯视图。

图中：1-模型船；2-推进螺旋桨；3-透明水槽；4-支撑架；5-变频电机；6-钢丝绳；7-驱动轮；8-轴承座；9-联轴节；10-升降支架；11-竖直升降机构；12-拉紧油缸；13-液压站；14-第一换向轮对；15-第二换向轮对；16-第三换向轮对；17-第四换向轮对；18-第五换向轮对；19-第六换向轮对；20-张紧换向轮；1-1-固定柱。

具体实施方式

下面结合说明书附图以及具体实施例对本发明一种牵引式推进螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置及试验方法作更进一步的说明。

实施例

如图1所示，发明的一种牵引式推进螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置，包括模型船1、推进螺旋桨2、透明水槽3、支撑架4、变频电机5、钢丝绳6、驱动轮7、轴承座8、联轴节9、升降支架10、竖直升降机构11、拉紧油缸12、液压站13。

所述模型船1与钢丝绳6连接，由两根钢丝绳固定并牵引模型船，钢丝绳6与变频电机5、驱动轮7、联轴节9、竖直升降机构11、拉紧油缸12连接，轴承座8安装在有透明水槽3两侧，透明水槽3底部设置支撑架4，钢丝绳6缠绕在透明水槽3周围，拉紧油缸12位于透明水槽右侧，竖直升降机构11布置在透明水槽3两侧。

模拟船行波对水体及沉积物扰动过程，操作步骤如下：

(1)向透明水槽3注入一定深度的清水，将模型船1通过固定柱1-1与钢丝绳6连接固定。

(2)手动调节竖直升降机构11，调节模型船1吃水至预定深度。

(3)启动变频电机5，通过联轴节9带动驱动轮7旋转，在摩擦力作用下左右两侧钢丝绳6沿着换轮组的导向牵引模型船1在透明水槽3内沿直线运动。

(4)模型船1行驶至透明水槽3一侧，将模型船1与钢丝绳6反向连接，实现模型船1掉头行驶。

(5)调节变频电机5转速，模拟模型船1不同航行速度。

(6)将推进螺旋桨2与模型船1组合，通过调节推进螺旋桨电机转速，可调整推进螺旋桨2旋转速度，模拟船行波与推进螺旋桨射流共同作用对水体扰动过程。

(7)结合其它水位、流速、波浪等水动力观测仪器及水样采集装置，可在室内实现船行波与推进螺旋桨射流共同作用条件下，河道流场结构、紊流特征、及沉积物起悬和内源污染释放等相关科学研究；

作为本发明的一个优选实施例，透明水槽采用有机玻璃制成，大小为20m×2m×1.5m。

模型船大小为1000mm×300mm×300mm，船上配有垂直安装的推进螺旋桨、直流电源、直流电机和遥控装置。

采用1.1KW变频器，实验装置设5个固定支承座，3个滑动支撑座，1套驱动轮。所述换向轮包括8对共16个尼龙定滑轮。

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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种牵引式推进螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置，其特征在于，包括：

透明水槽，为长条槽状结构，用于盛装一定深度的水；

模型船，设置在所述透明水槽中，用于模拟船舶，模型船上可拆卸连接有推进螺旋桨；

牵引机构，包括牵引绳、以及与所述牵引绳驱动连接的驱动机构，驱动机构通过牵引绳牵引所述模型船在透明水槽中沿水槽长度方向以不同的速度水平移动；

竖直升降机构，用于改变所述模型船位于透明水槽中的吃水深度；

水动力观测仪器，设置在透明水槽的水体中，用于对水槽中的水体进行观测；

水样采集装置，用于对水槽中的水样进行采集。

2.根据权利要求1所述的牵引式推进螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置，其特征在于，所述牵引机构包括：

支撑架，设置在透明水槽的底部，用于对所述透明水槽进行支撑固定；

驱动轮，驱动轮上设有牵引绳，驱动轮的轮轴通过联轴器与驱动电机连接；

多个换向轮，通过轮架设置在所述透明水槽的周围，用于对所述牵引绳的牵引方向进行换向；

模型船上设有与所述牵引绳固定连接的船体连接部。

3.根据权利要求2所述的牵引式推进螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置，其特征在于，所述换向轮包括：

沿透明水槽长度方向固定设置在透明水槽一端上部的第五换向轮对、第六换向轮对和位于第五换向轮对、第六换向轮对下方的第一换向轮对；

沿透明水槽长度方向设置在透明水槽另一端底部的第二换向轮对和位于第二换向轮对上方的第三换向轮对和第四换向轮对；

驱动轮上的牵引绳一端依次经第一换向轮对、第二换向轮对、第三换向轮对、第四换向轮对、第五换向轮对以及第六换向轮对后回到驱动轮与牵引绳另一端首尾相接。

4.根据权利要求3所述的牵引式推进螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置，其特征在于，所述竖直升降机构包括结构相同的两个竖直升降单元，分别是设置在透明水槽上位于所述第五换向轮对、第六换向轮对处的第一竖直升降单元、以及设置在透明水槽上位于所述第三换向轮对、第四换向轮对处的第二竖直升降单元；

第一竖直升降单元包括：第一升降支架、以及设置在第一升降支架上的第一手轮、第一锥齿轮换向传动机构、第一螺纹杆、第一移动螺母副和第一换向轮连接架，其中，所述第一手轮通过第一锥齿轮换向传动机构与所述第一螺纹杆传动连接，第一螺纹杆上螺纹连接有第一移动螺母副，所述第一移动螺母副上固定连接所述第一换向轮连接架，所述第一换向轮连接架上固定连接有所述第四换向轮对；

第二竖直升降单元包括：第二升降支架、以及设置在第二升降支架上的第二手轮、第二锥齿轮换向传动机构、第二螺纹杆、第二移动螺母副和第二换向轮连接架，其中，所述第二手轮通过第二锥齿轮换向传动机构与所述第二螺纹杆传动连接，第二螺纹杆上螺纹连接有第二移动螺母副，所述第二移动螺母副上固定连接所述第二换向轮连接架，所述第二换向轮连接架上固定连接有所述第五换向轮对。

5.根据权利要求3所述的牵引式推进螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置，其特征在于，还包括张紧换向轮，所述张紧换向轮串设于所述第二换向轮和第三换向轮之间，张紧换向轮的底部与以滑动支撑座固定连接，滑动支撑座与所述支撑架的水平底座之间滑动连接；

伸缩单元，与所述张紧换向轮连接，用于对牵引绳施加张紧力。

6.根据权利要求5所述的牵引式推进螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置，其特征在于，所述伸缩单元为液压伸缩机构、气压伸缩机构或直线伸缩电机中的任一种。

7.根据权利要求1所述的牵引式推进螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置，其特征在于，所述牵引绳为钢丝绳，所述模型船的前部和后部分别对称设有用于与钢丝绳连接有的固定柱。

8.根据权利要求1所述的牵引式推进螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置，其特征在于，所述透明水槽的材料为透明有机玻璃。

9.基于如权利要求1~8中任一所述的牵引式推进螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置的试验方法，其特征在于，包括以下几个步骤：

S1、向有机透明水槽中注入一定深度的清水，将模型船与牵引绳连接固定；

S2、调节竖直升降机构，调节模型船吃水至预定深度；

S3、启动牵引机构，牵引所述模型船在透明水槽中沿水槽长度方向以不同的速度水平移动；

S4、模型船行驶至透明水槽一侧，将模型船与牵引绳反向连接，实现模型船掉头行驶；

S5、调节牵引机构转速，模拟模型船不同航行速度；

S6、将推进螺旋桨与模型船组合，通过调节推进螺旋桨电机转速，航模上的电机驱动螺旋桨可以搅动水箱中的水，调整推进螺旋桨旋转速度，模拟船行波与推进螺旋桨射流共同作用对水体扰动过程；

S7、结合水动力观测仪器及水样采集装置，在室内实现船行波与推进螺旋桨射流共同作用条件下，对河道流场结构、紊流特征、及沉积物起悬和内源污染释放进行相关科学研究。

10.根据权利要求9所述的牵引式推进螺旋桨射流和船行波扰动模拟实验装置的试验方法，其特征在于，所述水动力观测仪器包括水位观测仪、流速观测仪和波浪观测仪。