CN110579333A - 超重力场船行波模拟试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及超重力场船行波模拟试验装置及方法。包括离心机吊篮、超重力模型试验箱和船形波作动装置；超重力模型试验箱组成包括底板、侧板、前板和背板；底板上设有进水孔及透水孔；前板和背板顶部设有活动导轨，船形波作动装置通过支撑板固定于活动导轨上，沿着活动导轨位移；船形波作动装置组成包括楔形块、滑动杆、限位块、撞击块和气压作动器；限位块固定于支撑板上方；滑动杆穿过限位块、支撑板连接下方的楔形块，滑动杆顶端连接撞击块；气压作动器利用气压输出做功，驱动楔形块在垂直于超重力模型试验箱方向运动造波。本发明装置和方法可实现在超重力场下模拟真实船行波作用。
Description
技术领域
本发明涉及水利水运工程领域，具体涉及一种用于在超重力场下模拟船行波作用的装置及方法。
背景技术
长江经济带等流域经济发展的成就举世瞩目，然而流域水安全、水环境问题也日益突出。当前，水资源短缺、水环境污染、水生态损害和水灾害频发等四大水问题是长江经济带发展的主要短板。其中，由于干支流航运条件的提升等因素，导致流域河道岸壁因船行波等作用发生的滑塌、掏蚀等破坏，严重威胁流域水生态、水环境及水运安全。
船行波是一种重力波，是由行进船形成的相对水面的连续压力冲量扰动，波浪特征遵循重力相似定律。船行波由船首排挤水体，使该处水面局部升起形成船首波；随着船体移动，使行驶处水面下降，从而形成船尾波。船行波问题的实质，是船舶航行时引起的流体动力学动力特性问题，它的造波机理已拥有完整的理论解答，但仅限于波浪特征。对于研究船行波对岸坡构筑物作用等工程实际问题时，纷繁的参数和公式使得理论分析很难为具体工程问题服务。
模型试验是研究工程具体问题的普遍方法。在传统的模型试验中，模拟船行波常见的方法是将缩尺的模型船放入缩尺的河道（港口），利用相关装置驱动模型船行进从而生成船行波，进而考察模拟波对其中模型船的行进速度依据比尺准则预设。但传统模型试验通常在常重力场下进行，在实际操作中存在一些不可回避的问题。一是应力不相似；在研究以岩土体为主的岸坡构筑物时，岩土材料受力状态以自重应力为主，即必须考虑相应材料自重，这种状态下研究船行波对岩土体的崩解、滑塌、掏蚀等作用时，无法满足基本的重力相似，因此这类试验仅能用于破坏形态等观察。二是模型尺度不易控制；已有的研究表明，在一定比尺下，按照相似准则，比例较小的模型无法观测需要，而在较大的尺度下模型制作又需要投入大量人力物力。
利用土工离心模拟技术开展相关试验研究，通过设置相似比尺N，不仅可以利用离心力形成等比重力场，从而反应真实应力状态下岸壁受船行波作用的破坏量级，还因独特的缩时效应实现短时间内模拟大跨度时间下原型河道真实工况。在离心机上开展相关问题的动态模拟，关键技术在于在一定的相似比尺下，实现模型试验箱内船行波的输出。
随着新时代治水方针的贯彻深入，强化基础研究和应用基础研究在流域水安全保护的应用，迫切需要掌握通航条件下“船行波-岸壁动力相互作用机理”，为相关部门的堤防设计和航道管理提供支撑。作为唯一能在缩尺模型尺度和真实应力场条件下再现原型过程的有效手段，相应的超重力场中的集成系统是实现这一目的的前沿装置。该系统的研发对探索复杂条件下流域河道航运及生态安全，促进相关研究技术发展意义显著。
发明内容
本发明的目的在于提供超重力场船行波模拟试验装置及方法，可实现定量模拟岸坡构筑物在船行波作用下物理力学特征。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种超重力场船行波模拟试验装置，包括离心机吊篮、超重力模型试验箱和船形波作动装置，所述超重力模型试验箱固定于离心机吊篮内，所述船形波作动装置固定于超重力模型试验箱上；
所述超重力模型试验箱组成包括底板、侧板、前板和背板；底板上设有进水孔及透水孔；前板和背板顶部设有活动导轨，船形波作动装置通过支撑板固定于活动导轨上，沿着活动导轨位移；
所述船形波作动装置组成包括楔形块、滑动杆、限位块、撞击块和气压作动器；所述限位块固定于支撑板上方；滑动杆穿过限位块、支撑板连接下方的楔形块，滑动杆顶端连接撞击块；气压作动器利用气压输出做功，驱动楔形块在垂直于超重力模型试验箱方向运动造波；
所述离心机吊篮的底板上安装蓄能器组件，作为船形波作动装置的辅助动力装置。
在超重力场环境中，所有模拟装置都要承受巨大的离心力。船行波作动装置是超重力场中船行波模拟的关键设备，面临着超重力条件下设备运动能力、运行精度、自动化控制等一系列挑战。本发明的船形波模拟装置利用气压作动器快速驱动楔形块挤压水面，形成单个移动的水面波，从而达到模拟船舶行驶过程中产生的水面波的目的；本发明的船行波作动装置通过两个滑动杆定位，限制楔形块的旋转自由度，使得楔形块只能上下运动。
作为本发明的进一步改进，所述蓄能器组件组成包括蓄能器底板、换向阀、蓄能器支撑件和蓄能器；所述蓄能器底板固定在离心机吊篮上；蓄能器通过蓄能器支撑件固定在蓄能器底板上；换向阀固定在蓄能器底板上，连接船行波作动装置，用于增压和卸压。蓄能器组件可为作动器的快速作动提供能量补充，并通过换向阀调节作动器竖直运动方向以产生试验需要的波形（上下运动或下上运动）
作为本发明的进一步改进，所述船形波作动装置还包括限位缓冲块；所述限位缓冲块固定于限位块和撞击块之间。楔形块具有一定的重量，在离心力的作用下，快速下压会产巨大的冲击力，采用限位缓冲块可为撞击力提供一定缓冲。
作为本发明的进一步改进，所述船形波作动装置还包括调节螺柱；所述调节螺柱穿过限位块固定在支撑板上。调节调节螺柱的高度可灵活调节作动器的下压距离，调节楔形块入水的距离。
作为本发明的进一步改进，所述超重力模型试验箱的前板中嵌入有机玻璃视窗，可通过图像观测的方法来实现对模型内部位移场的监测。
进一步的，所述有机玻璃视窗外设有有机玻璃视窗盖板。
作为本发明的进一步改进，所述超重力模型试验箱的底板上设有进水孔及透水孔，可实现模型地基的饱和。
作为本发明的进一步改进，所述超重力模型试验箱的侧板上设有溢流孔，可用于控制模型水面的高度。
作为本发明的进一步改进，所述超重力模型试验箱材质为铝合金板，可满足重量轻、强度高、变形小的要求。
本发明还提供了上述装置用于超重力场船行波模拟试验的方法，包括如下步骤：
（1）在模型箱内安置待模拟地基土体、构筑物的模型，并按试验需要设置模型内水位高度；
（2）根据需测量的物理量埋设对应传感器，并连接数据采集系统；
（3）调试船行波作动装置；
①启动离心机；稳定一段时间并判断模型位移以及模型内部水位是否已经达到稳态；
②达到稳态后启动蓄能器，如果蓄能器压力大于0.6Mpa，则开启压力作动器，否则给蓄能器持续补充压力；
③启动压力作动器后产生船形波，传感器感测到的信号发生相应的改变，此时判断传感器信号是否达到稳态，如果达到稳态，则启动换向阀，作动器复位，如果信号未达到稳态，则继续等待；作动器复位后，判断是否进行下一次试验，如果继续试验，则重复船形波作动过程，如果不继续试验，则停止离心机；
（4）根据模型率N校核各相关参数，进行超重力场中船行波系统的造波试验。
本发明为机械驱动式楔形块造波装置，利用精密作动机构作为驱动装置，具有控制精度高、造波频率特性好的特点。与其他船行波造波装置相比，本装置设置在超重力场中，能够模拟船行波对岸壁构筑物的作用。该装置建成后将安装在400gt大型土工离心机上，可在30g重力加速度条件下正常工作，模拟水深10m、浪高1.8m。
附图说明
图1为船形波离心机模型试验系统总体装配图。
图2为船形波作动装置装配图。
图3为蓄能器组件装配图。
图4位超重力模型试验箱装配图。
其中，1. 离心机吊篮，2. 超重力模型试验箱，3. 船形波作动装置，4. 活动导轨，5. 蓄能器组件，6. 楔形块，7. 滑动杆，8. 支撑板，9. 限位缓冲块，10. 限位块，11. 调节螺柱，12. 撞击块，13. 气压作动器，14. 蓄能器底板，15. 换向阀，16. 蓄能器支撑件，17.蓄能器，18. 模型箱底板，19. 进水孔，20. 有机玻璃视窗盖板，21. 透水孔，22. 有机玻璃视窗，23. 模型箱前板，24. 模型箱侧板，25. 溢流孔，26. 模型箱背板。
具体实施方式
下面结合实施例和附图说明对本发明的技术方案做进一步说明。
实施例1
如图1~4所示的超重力场船行波模拟试验装置，包括离心机吊篮1、超重力模型试验箱2和船形波作动装置3，超重力模型试验箱2固定于离心机吊篮1内，船形波作动装置3固定于超重力模型试验箱2上。
超重力模型试验箱2组成包括底板18、侧板24、前板23和背板26，其材质为铝合金板；超重力模型试验箱2的前板23中嵌入有机玻璃视窗22，有机玻璃视窗22外设有有机玻璃视窗盖板20；底板18上设有进水孔19及透水孔21；侧板24上设有溢流孔25；前板23和背板26顶部设有活动导轨4，船形波作动装置3通过支撑板8固定于活动导轨4上，沿着活动导轨4位移。
船形波作动装置3组成包括楔形块6、滑动杆7、限位缓冲块9、限位块10、调节螺柱11、撞击块12和气压作动器13；限位块10固定于支撑板8上方；滑动杆7穿过限位块10、支撑板8连接下方的楔形块6，调节螺柱11穿过限位块10固定在支撑板8上；滑动杆7顶端连接撞击块12，限位缓冲块9固定于限位块10和撞击块12之间，限位缓冲块9由弹性橡胶材料制成，用于缓解楔形块6上抬时的冲击能量；气压作动器13与离心机工作电流输出端连接供电，利用气压输出做功，快速驱动楔形块6在超重力模型试验箱2高度方向下压。楔形块6运动规律由作动器控制，通过规则挤压水面形成船行波。船行波作动装置3的运行频率由控制台计算机控制。
离心机吊篮1的底板上安装蓄能器组件5，作为船形波作动装置3的辅助动力装置。蓄能器组件5组成包括蓄能器底板14、换向阀15、蓄能器支撑件16和蓄能器17；蓄能器底板14固定在离心机吊篮1上；蓄能器17通过蓄能器支撑件16固定在蓄能器底板14上；换向阀15固定在蓄能器底板14上，连接船行波作动装置3，用于增压和卸压。
本发明的装置在使用时，根据实际工况，设置模型率N，根据原型船速换算波浪要素，依据相似准则给出模型波浪要素，进而通过控制计算机输出船行波作动装置工作频率。
实施例2
本实施例具体说明采用实施例1的装置进行超重力场船行波模拟试验的方法，试验过程如下：
1、制作模型箱。图4中模型箱有效尺寸为950mm×350mm×450mm，强度满足30g离心加速度条件。图1中超重力模型试验箱主要由高强度铝合金材料制成，以满足重量轻、强度高、变形小的要求。
2、根据所需模拟地基土的尺寸、有效水深和构筑物的尺寸，结合离心机的模型箱尺寸和最大离心加速度，确定合适的模型率N，从而确定岸壁地基土体、水体的模型尺寸，土体可采用原状土或者实验室制得的具有相同指标的重塑土，构筑物的模型可根据模型大小选用相同或相近材料制作，安置在模型箱内船行波作动装置3远端，并按试验需要设置模型内水位高度。
3、埋设传感器：根据所需测量的物理量埋设相对应的传感器。
4、连接好数据采集系统，将各种测量传感器连入前置单元，保证通讯软件能够进行数据采集与分析；
5、船行波作动机构调试。
①启动离心机。稳定一段时间并判断模型位移以及模型内部水位是否已经达到稳态；
②启动蓄能器。达到稳态后启动蓄能器，并判断蓄能器压力是否大于0.6Mpa。如果大于该值则可开启船形波作动器，如果没有模型没有达到稳态，则继续等待，如果蓄能器压力小于0.6Mpa，则给蓄能器持续补充压力；
③启动作动器。会产生一个船形波，模型内部布置的传感器感测到的信号会发生相应的改变，此时判断传感器信号是否达到稳态，如果达到稳态，则启动换向阀，作动器复位，如果信号未达到稳态，则继续等待；作动器复位后，试验人员判断是否进行下一次试验，如果继续试验，则重复船形波作动过程，如果不继续试验，则停止离心机。
6、超重力场中船行波试验
根据模型率N校核各相关参数，进行超重力场中船行波系统的造波试验。
Claims (10)
1.一种超重力场船行波模拟试验装置，包括离心机吊篮（1）、超重力模型试验箱（2）和船形波作动装置（3），所述超重力模型试验箱（2）固定于离心机吊篮（1）内，所述船形波作动装置（3）固定于超重力模型试验箱（2）上，其特征在于：
所述超重力模型试验箱（2）组成包括底板（18）、侧板（24）、前板（23）和背板（26）；前板（23）和背板（26）顶部设有活动导轨（4），船形波作动装置（3）通过支撑板（8）固定于活动导轨（4）上，沿着活动导轨（4）位移；
所述船形波作动装置（3）组成包括楔形块（6）、滑动杆（7）、限位块（10）、撞击块（12）和气压作动器（13）；所述限位块（10）固定于支撑板（8）上方；滑动杆（7）穿过限位块（10）、支撑板（8）连接下方的楔形块（6），滑动杆（7）顶端连接撞击块（12）；气压作动器（13）利用气压输出做功，驱动楔形块（6）在垂直于超重力模型试验箱（2）方向运动造波；
所述离心机吊篮（1）的底板上安装蓄能器组件（5），作为船形波作动装置（3）的辅助动力装置。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述蓄能器组件（5）组成包括蓄能器底板（14）、换向阀（15）、蓄能器支撑件（16）和蓄能器（17）；所述蓄能器底板（14）固定在离心机吊篮（1）上；蓄能器（17）通过蓄能器支撑件（16）固定在蓄能器底板（14）上；换向阀（15）固定在蓄能器底板（14）上，连接船行波作动装置（3），用于增压和卸压。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述船形波作动装置（3）还包括限位缓冲块（9）；所述限位缓冲块（9）固定于限位块（10）和撞击块（12）之间。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述船形波作动装置（3）还包括调节螺柱（11）；所述调节螺柱（11）穿过限位块（10）固定在支撑板（8）上。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超重力模型试验箱（2）的前板（23）中嵌入有机玻璃视窗（22）。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述有机玻璃视窗（22）外设有有机玻璃视窗盖板（20）。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超重力模型试验箱（2）的底板（18）上设有进水孔（19）及透水孔（21）。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超重力模型试验箱（2）的侧板（24）上设有溢流孔（25）。
9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述超重力模型试验箱（2）材质为铝合金板。
10.权利要求1~9任一项所述装置用于超重力场船行波模拟试验的方法，其特征在于，包括如下步骤：
（1）在模型箱（2）内安置待模拟地基土体、构筑物的模型，并按试验需要设置模型内水位高度；
（2）根据需测量的物理量埋设对应传感器，并连接数据采集系统；
（3）调试船行波作动装置；
①启动离心机；稳定一段时间并判断模型位移以及模型内部水位是否已经达到稳态；
②达到稳态后启动蓄能器（17），如果蓄能器（17）压力大于0.6Mpa，则开启压力作动器（13），否则给蓄能器（17）持续补充压力；
③启动压力作动器（13）后产生船形波，传感器感测到的信号发生相应的改变，此时判断传感器信号是否达到稳态，如果达到稳态，则启动换向阀（15），压力作动器（13）复位，如果信号未达到稳态，则继续等待；压力作动器（13）复位后，判断是否进行下一次试验，如果继续试验，则重复船形波作动过程，如果不继续试验，则停止离心机；
（4）根据模型率N校核各相关参数，进行超重力场中船行波的造波试验。
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