CN110879126A - 一种风浪流全耦合动力实验系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种风浪流全耦合动力实验系统，包括空气动力系统和水动力系统，所述空气动力系统为低速风洞，所述水动力系统包括实验水池、造波系统、造流系统、假底系统和地形模拟系统。本发明的空气动力系统位于实验水池上方，实现精细化风场模拟；造波系统、造流系统设置于实验水池边壁附近，模拟波浪和海流的耦合作用；实验水池底部的假底系统为升降式，实现变水深模拟；地形模拟系统为可拆卸式，安装于假底系统之上，模拟复杂海洋地形。

Description

一种风浪流全耦合动力实验系统

技术领域

本发明涉及海洋工程及海岸工程领域，尤其涉及一种风浪流全耦合动力实验系统。

背景技术

海洋工程及海岸工程结构物会同时遭受海风、波浪、海流等荷载的耦合作用，其结构物的设计、施工和安全运行存在非常复杂的科学技术问题。尽管可以依靠计算软件仿真模拟，但是物理模型试验在校准数值模型参数、验证数值预报的性能特征、对新的设计概念提供物理证据方面至关重要。

然而，现有实验设备难以实现风、波浪、海流的同步高品质模拟，不能合理反映复杂多变的海洋环境对结构的作用。目前，海洋工程及海岸工程实验多采用分部、孤立的模拟方法：上部结构单独进行风洞实验，获取风荷载；在水槽或水池进行下部结构实验，上部结构物所受风荷载采用等效推力相似的方法来近似代替。上述实验无法实现风荷载、波浪荷载和海流荷载的高精度耦合模拟。为了实现风荷载、波浪荷载、海流荷载的耦合模拟，世界上最先进的海洋工程实验室荷兰Marin水池实验室、上海交通大学海洋工程国家重点实验室均采用在深水池中加装鼓风机矩阵模拟风载荷作用。然而，鼓风机所造风场品质单一、均匀性较差，无法满足大型化、精细化风场模拟。同时，鼓风机产生的风直接作用于水池水体表面，不可避免地会影响水面波浪环境，因而难以定量控制实验环境变量。

此外，由于欧洲海洋环境条件较好，风荷载对海洋工程及海岸工程结构物及装备的作用远小于波浪荷载、海流荷载，欧洲海洋工程及海岸工程结构物及装备设计中风载荷往往不是决定性因素，研究也多关注波浪、海流的耦合作用，而风场的模拟精度可以降低。相反，我国沿海台风频发，海洋环境恶劣，风荷载对海洋工程及海岸工程结构物及装备的影响更加显著，对风载荷的模拟精度要求更高。

基于此，迫切需要提出一种能高精度同步模拟风、波浪、海流的全耦合动力实验系统，特别是适用于我国特殊海洋环境的、一体化设计要求极高的海洋工程及海岸工程风浪流全耦合动力实验系统。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种风浪流全耦合动力实验系统，通过空气动力系统模拟高品质、精细化风场，通过水动力系统模拟复杂海洋环境下波浪和海流的耦合作用，准确再现极端海洋水动力环境（包括多向不规则波、畸形波、台风浪、强流等），通过空气动力系统和水动力系统的密切配合实现复杂海洋环境下各类海洋工程及海岸工程结构物及装备的风浪流耦合作用。此外，通过假底系统和地形模拟系统实现从浅海到深海的变水深模拟和复杂地形模拟。因此，通过高精度模拟风场、波浪和海流的全耦合作用，实现海上交通设施、海洋工程装备、海洋能利用装置、海底工程结构在复杂海洋环境下的静动力响应分析，提高结构物及装备设计的可靠性和安全性。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种风浪流全耦合动力实验系统，它包括：

空气动力系统，所述空气动力系统采用低速风洞，所述低速风洞为边壁均密闭的管状结构；

水动力系统，所述水动力系统包括用于提供水环境的实验水池，所述试验水池的底部可拆卸的安装有能够升降的假底系统，所述假底系统上布置有用于模拟地形的地形模拟系统，所述实验水池的内部设置有造流系统和造流系统；所述造流系统兼具主动消波系统，所述造流系统为整体循环、垂向分层造流系统；

所述空气动力系统与水动力系统在物理上隔离，所述物理上隔离为空气动力系统和水动力系统产生的流场互不干扰，所述低速风洞位于实验水池上方，结构物及装备的上部结构位于所述低速风洞中，结构物及装备的下部结构位于所述实验水池中。

所述低速风洞能模拟定常风、湍流风、脉动风、风谱和大气边界层风的一种或多种，所述低速风洞安装于实验水池上方，所述低速风洞能够进行水平旋转，以调整位置和角度。

所述实验水池为规则形水池、不规则形水池中的一种，所述规则性水池为圆形水池、矩形水池、多边形水池中的一种，所述不规则形水池根据特殊试验工况改装得到。

所述造波系统和造流系统位于水池内侧，所述造波系统能模拟规则波、不规则波、长峰波、短峰波、畸形波、台风浪的一种或多种；所述造流系统为整体循环、垂向分层造流系统，能在水深范围内模拟时空上均匀稳定的流场，以及在不同水深形成不同的流速剖面。

所述假底系统位于水池底部，所述假底系统实现0m至200m变水深模拟；所述地形模拟系统为可拆卸式地形模拟系统，安装于所述假底系统上，所述地形模拟系统模拟不同复杂海洋地形。

所述结构物和装备为海上交通设施、海洋工程装备、海洋能利用装置、海底工程结构、港口工程中的结构物和装备，所述风浪流全耦合动力实验系统能用于结构物和装备的静动力响应分析。

本发明有如下有益效果：

1、根据本发明实施例的全耦合动力实验系统，首先，通过空气动力系统和水动力系统的相互配合，达到复杂海洋环境中风场、波浪和海流的高精度模拟，实现风荷载、波浪荷载和海流荷载对结构物及装备的全耦合作用、风荷载和波浪荷载对结构物及装备的耦合作用、风荷载和海流荷载对结构物及装备的耦合作用、波浪荷载和海流荷载对结构物及装备的耦合作用。

2、其次，采用管状结构的低速风洞替代现有的阵列式造风系统，能为风载荷提供准确的参数输入，可实现精细化的定常风、湍流风、脉动风、风谱和大气边界层风等风场模拟；所述空气动力系统与水动力系统在物理上隔离，风洞中的风场仅对结构物及装备的上部结构产生风荷载，不会影响水池中的波浪环境，因此能实现风荷载、波浪荷载、海流荷载的精确控制，避免相互干扰；低速风洞能进行水平旋转、移动和固定，通过调整位置，实现复杂海洋环境下风荷载、波浪荷载和海流荷载的精确模拟。

3、最后，造波系统通过计算机控制系统可产生规则波、不规则波、长峰波、短峰波、畸形波、台风浪的一种或多种，同时实现主动消波控制；整体循环、垂向分层造流系统不仅能在水深范围内形成时空均匀稳定的流场，还能降低流场对波浪环境的干扰甚至破坏，同时垂直分层造流可模拟不同流速剖面；假底系统通过计算机控制系统实现变水深模拟；可拆卸式地形模拟系统安装于假底系统之上，能实现不同复杂海床地形的模拟，因此，低速风洞、造波系统、造流系统、假底系统和地形模拟系统的密切配合能再现真实复杂的海洋空气动力和水动力环境，高精度模拟结构物及装备在海洋环境中的静动力响应，提高结构物及装备设计的可靠性和安全性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是本发明剖面示意图。

图2是本发明俯视图示意图。

图3是本发明假底结构和地形模拟系统结构示意图。

图中：1空气动力系统；2水动力系统；21实验水池；22造波系统；23造流系统；24假底系统；25地形模拟系统；3结构物。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

如图1至图3所示，本发明提出了一种风浪流全耦合动力实验系统，包括空气动力系统1和水动力系统2，所述水动力系统2包括实验水池21、造波系统22、造流系统23、假底系统24、地形模拟系统25。所述空气动力系统1为管状结构低速风洞，低速风洞安装于实验水池21上方，低速风洞能进行水平旋转后固定。所述结构物3的上部结构位于低速风洞中，所述结构物3的下部结构位于实验水池21中，所述低速风洞与结构物3的连接方式为柔性连接。

可以理解的是，空气动力系统1、造波系统22、造流系统23、假底系统24通过计算机系统进行参数设定和运行过程控制，地形模拟系统25可以先预制然后在实验前安装于假底系统24上部，空气动力系统1、造波系统22、造流系统23、假底系统24和地形模拟系统25的密切配合，实现复杂海洋环境下风、波浪、海流全耦合作用的模拟。空气动力系统1和实验水池21、造波系统22、造流系统23、假底系统24中包括多种监测和测量装置，可进行风速、水位、波浪、流速以及结构物静动力响应特征的实时测量。试验过程中，测量仪器通过数据传输线或无线信号将采集的试验数据传至计算机系统，然后进行实时记录、显示、后续的分析处理等工作。

具体的，低速风洞能模拟多种风场，包括定常风、湍流风、脉动风、风谱和大气边界层风等，低速风洞安装于实验水池上方，低速风洞能进行水平旋转移动，以调整位置和角度，低速风洞与结构物及装备的柔性连接方式实现密封风洞和降低风洞自身结构对结构物及装备动力响应的影响。

可以理解的是，采用管状结构低速风洞替代现有的阵列式鼓风机造风系统，一方面能为风载荷提供准确的参数输入，实现精细化风场的模拟，另一方面实现空气动力系统与水动力系统在物理上隔离。低速风洞位于实验水池上方，结构物及装备的上部结构位于低速风洞中，结构物及装备的下部结构位于实验水池中，低速风洞与结构物及装备采用柔性方式连接，因此，低速风洞中的风场不会作用于水池表面，避免影响波浪环境。

具体的，本发明实施例实验水池为规则形水池、不规则形水池中的一种，规则性水池为圆形水池、矩形水池、多边形水池中的一种，不规则形水池根据特殊试验工况改装得到，如特殊海洋环境条件下波浪、海流特征。值得说明的是，本发明实施例的实验水池形状优选为圆形，水池四周侧面区域均可布置造波系统，造波系统兼具消波系统，实现四面造波，无需再设消波装置。

具体的，造波系统、造流系统位于实验水池内侧边壁附近，造波系统通过改变参数可模拟规则波、不规则波、长峰波、短峰波、畸形波、台风浪，造波系统兼具主动消波系统，造流系统采用目前世界上最先进的整体循环、垂直分层水池造流系统。

可以理解的是，本发明实施例造波系统在水池内部布设多个造波装置，可生成多向规则/不规则波浪，同时造波系统兼具主动消波系统，与目前采用的被动消波系统相比，主动消波是由造波机自身控制系统完成的消波行为，造波质量较好，可较好地消除池壁、消波滩和模型反射形成的二次反射波。

可以理解的是，本发明实施例造流系统优选为池外循环、垂直分层整体造流方法，可以将漩涡、回流等扰动影响在水池外消除，进而保证试验区域内流场的均匀度、湍流度等参数满足模型试验的要求，高精度再现复杂海洋工程及海岸工程中波浪和海流环境。同时，水池中的造流系统中的多个造流装置相互独立设置，通过调节不同高度造流装置的输入参数，模拟不同水深上水流流速梯度的变化。

具体的，假底系统位于水池底部，假底系统可实现0m至200m变水深模拟，地形模拟系统为可拆卸式地形模拟系统，实验前，安装于假底系统之上，实验后可进行拆卸更换，实现不同复杂海洋地形的模拟。

值得说明的是，假底系统和地形模拟系统不仅可实现变水深和复杂海床地形的模拟，还能提高结构物安装过程的效率和精度，特别是海洋工程中锚泊系统布置的精度。

具体的，风浪流全耦合动力实验系统能应用于海上交通设施、海洋工程装备、海洋能利用装置、海底工程结构中的结构物和装备在复杂海洋环境中静动力响应分析。

值得说明的是，海上交通设施可包括跨海大桥、海底隧道、海底悬浮隧道等，海洋工程装备包括深海油气钻井/开采平台、海洋浮体、深海养殖船等，海洋能利用装置包括海上风能、波浪能、潮流能、温差能等发电装置，海底工程结构包括海底管道、海底井口、可燃冰开采井等。风浪流全耦合动力实验系统还能应用于港口工程。

Claims (6)

1.一种风浪流全耦合动力实验系统，其特征在于，它包括：

空气动力系统（1），所述空气动力系统（1）采用低速风洞，所述低速风洞为边壁均密闭的管状结构；

水动力系统（2），所述水动力系统（2）包括用于提供水环境的实验水池（21），所述试验水池（21）的底部可拆卸的安装有能够升降的假底系统（24），所述假底系统（24）上布置有用于模拟地形的地形模拟系统（25），所述实验水池（21）的内部设置有造流系统（22）和造流系统（23）；所述造流系统（23）兼具主动消波系统，所述造流系统为整体循环、垂向分层造流系统；

所述空气动力系统（1）与水动力系统（2）在物理上隔离，所述物理上隔离为空气动力系统（1）和水动力系统（2）产生的流场互不干扰，所述低速风洞位于实验水池（21）上方，结构物（3）及装备的上部结构位于所述低速风洞中，结构物及装备的下部结构位于所述实验水池中。

2.根据权利要求1所述一种风浪流全耦合动力实验系统，其特征在于：所述低速风洞能模拟定常风、湍流风、脉动风、风谱和大气边界层风的一种或多种，所述低速风洞安装于实验水池上方，所述低速风洞能够进行水平旋转，以调整位置和角度。

3.根据权利要求1所述一种风浪流全耦合动力实验系统，其特征在于：所述实验水池（21）为规则形水池、不规则形水池中的一种，所述规则性水池为圆形水池、矩形水池、多边形水池中的一种，所述不规则形水池根据特殊试验工况改装得到。

4.根据权利要求1所述一种风浪流全耦合动力实验系统，其特征在于：所述造波系统和造流系统位于水池内侧，所述造波系统能模拟规则波、不规则波、长峰波、短峰波、畸形波、台风浪的一种或多种；所述造流系统为整体循环、垂向分层造流系统，能在水深范围内模拟时空上均匀稳定的流场，以及在不同水深形成不同的流速剖面。

5.根据权利要求1所述一种风浪流全耦合动力实验系统，其特征在于：所述假底系统（24）位于水池底部，所述假底系统实现0m至200m变水深模拟；所述地形模拟系统为可拆卸式地形模拟系统，安装于所述假底系统上，所述地形模拟系统模拟不同复杂海洋地形。

6.根据权利要求1所述一种风浪流全耦合动力实验系统，其特征在于：所述结构物和装备为海上交通设施、海洋工程装备、海洋能利用装置、海底工程结构、港口工程中的结构物和装备，所述风浪流全耦合动力实验系统能用于结构物和装备的静动力响应分析。

Images