CN112162081A - 风-浪-岩三相全耦合试验系统及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了风‑浪‑岩三相全耦合试验系统及试验方法，解决了现有技术中只能实现风、浪单独加载进行试验的问题，具有操作方便，可实现符合自然规律的风‑浪耦合方式模拟水上复杂动态环境的有益效果，具体方案如下：风‑浪‑岩三相全耦合试验系统，包括箱体，箱体内设置岩体或岩体模拟件，岩体或岩体模拟件设置若干变形传感器和应力传感器，箱体与进水单元连接，箱体与进风单元连接以向箱体内通入风，变形传感器、应力传感器、进水单元和进风单元分别与监测单元连接。
Description
技术领域
本发明涉及海洋试验技术领域，尤其是风-浪-岩三相全耦合试验系统及试验方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
随着我国大力实施海洋强国战略和推进海洋资源全面开发进程，海上工程建设(海底隧道、跨海大桥、海上资源勘探平台及其它近海工程)如火如荼，与之相关的科学研究也发展迅速。数值仿真和模型试验是辅助理论研究的有效手段，但是前者存在一定局限性，而模型试验可以更准确地验证相关研究的准确与否，对保证海上工程建设的安全性和可靠性至关重要。众所周知，海上自然环境和条件异常复杂，现有试验系统难以保证试验条件的精准模拟，试验结果对实际工程指导意义有限。
通过研究，发明人发现，现有试验系统主要存在以下问题：
(1)多是采取风、浪分离的加载方式，即风动力系统和造流水动力系统两者相互独立，不符合自然环境中通常是海风和气压的变化产生波浪的规律，忽略了风和气压对波浪形成的重要性；
(2)现有试验系统多为两相耦合场，没有考虑风浪荷载对固相岩体的影响以及三相全耦合作用对岩体参数变化规律的影响，无法实现自然环境的真实模拟和水下岩体变化的有效评估；
(3)现有试验系统仅从外部控制系统设计输入的风、浪参数，没有考虑对输入参数的动态监测和有效反馈，无法准确评估和合理把握两相荷载的耦合效应，试验条件的设计与实际不符；
(4)水下结构的赋存环境为自然界的岩体，现有试验系统没有考虑水下岩体地形地貌等因素对结构稳定性的影响，而实际水下环境地形地貌非常复杂，缺乏综合考虑地形地貌影响因素的试验系统无法为工程实际提供有效的研究成果。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的是提供风-浪-岩三相全耦合试验系统，结构简单、操作方便、智能可靠，更加符合自然规律，可使得试验结果更加可靠，以期为水上或海上相关研究提供理论依据。
为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：
风-浪-岩三相全耦合试验系统，包括箱体，箱体内设置岩体或岩体模拟件，岩体或岩体模拟件设置若干变形传感器和应力传感器，箱体与进水单元连接，箱体与进风单元连接以向箱体内通入风，变形传感器、应力传感器、进水单元和进风单元分别与监测单元连接。
如上所述的试验系统，岩体可为海上常见的岩体，当然也可以选择岩体模拟件，更方便与箱体的尺寸相适配，进水单元用于向箱体内供水，进风单元可向箱体内通风，并与监测单元连接，可通过风速的变化使得水面产生波浪，进水单元与监测单元连接，可实现水流速和流向的改变，实现真实环境中的层流和紊流等多种模拟。
如上所述的风-浪-岩三相全耦合试验系统，所述箱体设置进风口，进风口与所述的进风单元连接，所述进风单元包括风机。
如上所述的风-浪-岩三相全耦合试验系统，为了方便试验全程可视和追踪的功能，所述箱体由可视化材料制作；
所述箱体的底部设置升降机构，升降机构设于箱体的两侧，这样可通过单边升降实现潮汐流的真实模拟。
如上所述的风-浪-岩三相全耦合试验系统，所述箱体还设有气压输入口，气压输入口与气压改变机构连接，气压改变机构与所述的监测单元连接。
如上所述的风-浪-岩三相全耦合试验系统，所述箱体设置至少两个水口，至少两个水口各自与所述的进水单元连接，进水单元包括水箱和水泵，水箱通过水泵与水口连接，水泵将水箱内的水通过水口送入箱体内。
如上所述的风-浪-岩三相全耦合试验系统，所述水泵与所述的监测单元连接，两个所述的水口为一个进水口和一个排水口。
如上所述的风-浪-岩三相全耦合试验系统，所述箱体内设置水压力传感器和流速传感器，水压力传感器和流速传感器可分别设置多个，多个水压力传感器和流速传感器可分别设置于不同的高度，水压力传感器、流速传感器分别与所述的监测单元连接，且水压力传感器和流速传感器非线性布设，随机分布在箱体内侧边和底部。
如上所述的风-浪-岩三相全耦合试验系统，所述岩体模拟件通过3D打印而成。
如上所述的风-浪-岩三相全耦合试验系统，所述岩体模拟件通过水下地形地质信息的构建进行建模，水下地形地貌地质信息通过激光扫描或成像技术进行获取，包括水下地形地貌等信息，这样具有地形地貌真实再现和岩体内部参数精细调控的作用。
第二方面，本发明还提供了风-浪-岩三相全耦合试验系统的试验方法，包括如下内容：
在岩体或岩体模拟件中设置变形传感器和应力传感器，将岩体或岩体模拟件放置于箱体内；
通过进水单元向箱体内通入设定体积的水或海水；
在箱体内不同高度设置多个水压力传感器；
向箱体内通入风，风吹动水或海水，以在箱体内形成波浪；
通过监测单元控制进水单元的进水流速，控制风进入箱体内的速度，通过各个传感器记录相应的数据。
上述本发明的有益效果如下：
1)本发明通过整体试验系统的设置，能够动态模拟水上复杂环境，精准研究风-浪等多相荷载对水下岩体结构的相应规律，同时，围岩岩体参数精准模拟系统可实现三维地质精细建模以及地形地貌的真实模拟，具有试验结果更加可靠的优点，可为水上或海上相关研究提供理论依据。
2)本发明可通过进水单元向箱体内通入设定量的水，通过进风单元可模拟水上的风，进风单元和进水单元配合可模拟浪的形成，这样整个试验环境更加符合自然规律，可研究三相全耦合场对岩体参数变化规律的作用，不仅可完成三相全耦合场的试验条件设计，同时可实现任意双相耦合场的真实模拟。
3)本发明通过监测单元的设置，不仅可以对进水单元和进风单元进行控制，实现相关参数的输入，可进行动态调控和调控试验条件，以实现准确的风-浪物理模拟，而且通过相关传感器获取荷载信息等，以达到试验条件精细控制和试验结果准确获取的目的，使试验条件设计更加智能、灵活和精确。
4)本发明通过岩体模拟件的设置，可实现真实地质模型的三维构建和岩体参数精准近似。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明根据一个或多个实施方式的风-浪-岩三相全耦合试验系统的示意图。
图中：为显示各部位位置而夸大了互相间间距或尺寸，示意图仅作示意。
其中：1箱体；11预留通道；21三维地质模型；31进水口；32排水口；4监测单元；41进风口；51应力传感器；52流速传感器；6计算机；7升降机构；8排水管。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语解释部分：本发明中的术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或为一体；可以是机械连接，也可以是电连接，可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部连接，或者两个元件的相互作用关系，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的问题，为了解决如上的技术问题，本发明提出了风-浪-岩三相全耦合试验系统及试验方法。
本发明的一种典型的实施方式中，参考图1所示，风-浪-岩三相全耦合试验系统，包括箱体1，箱体内设置岩体或岩体模拟件，岩体或岩体模拟件设置若干变形传感器和应力传感器，箱体与进水单元连接，箱体与进风单元连接以向箱体内通入风，变形传感器、应力传感器、进水单元和进风单元分别与监测单元连接，将变形传感器(位移传感器)和应力传感器设于岩石或岩石模拟件中，实现风-浪-岩的三相全耦合，可获取岩体内部围岩变形、应力等实时变化信息，基于围岩应力、应变信息研究风-浪-岩三相全耦合荷载作用对水下结构的稳定性分析。
岩体可为海上常见的岩体，当然也可以选择岩体模拟件，更方便与箱体的尺寸相适配，岩体模拟件通过3D打印而成，岩体模拟件为三维地质模型21，具体通过岩体相似材料进行打印，相似材料研制与实际岩体特征一致。岩体模拟件通过水下地形地质信息的构建进行建模，水下地形地貌地质信息通过激光扫描或成像技术进行获取，包括水下地形地貌等信息。
箱体设置进风口41，进风口与进风单元连接，本实施例中，进风单元包括风机，风机通过管路与进风口连接，箱体可设置多个进风口，实现风荷载的输入，风荷载是气相的主要组成部分。
箱体1的侧部设置预留通道11，用于将模拟件送入箱体内部，优选地，在一些示例中，箱体由可视化材料制作，如强度较高的透明玻璃，箱体可为全封闭结构件，可便于试验全程的可视和追踪。
箱体1还设有气压输入口42，气压输入口与气压改变机构连接，气压改变机构与监测单元连接，气压改变机构可与风机配合，这样气压和风速改变，可进一步模仿自然界气压和风速的变化使水面产生波浪。
具体地，气压改变机构为空气增压泵，即气体增压阀，空气增压泵可压缩空气及其它气体，输出气压量级可通过驱动气压进行无级调节，较好满足试验需求，空气增压泵为现有结构件，可利用大面积活塞端的低压气体驱动而产生小面积活塞端的高压流体。
箱体1设置至少两个水口，至少两个水口各自与进水单元连接，进水单元包括水箱和水泵，水箱通过水泵与水口连接，水泵将水箱内的水通过水口送入箱体内。水泵与监测单元连接，两个水口为一个进水口31和一个排水口32，分别设置于箱体的两侧，且二者均高于设于箱体内岩体或岩体模拟件的高度，进水口也可作为排水口，排水口也可作为进水口，以实现水流的改变，水流速和流向的控制，可实现造波效果，实现初步的水环境模拟，水环境模拟不包括波浪和潮汐流。
另外，箱体1的底部设置排水管8，用于箱体内底部的排水。
进一步，箱体内设置水压力传感器和流速传感器，水压力传感器和流速传感器可分别设置多个，多个水压力传感器和流速传感器可分别设置于不同的高度，水压力传感器、流速传感器分别与所述的监测单元连接，且水压力传感器和流速传感器非线性布设，随机分布在箱体内侧边和底部，布设方式可获取水压力和流速参数的非线性变化规律，通过非线性变化规律动态调节气压和风速控制系统输入，气压和风速输入将会改变水面波浪的运动特征，从而实现气-液双相条件的耦合。
需要说明的是，监测单元为计算机6，由计算机实现对水、风等的控制，进行参数的输入，和对监测结果的接收。
风-浪-岩三相全耦合试验系统的试验方法，包括如下内容：
首先，获取实际岩体的特征参数，研制试验用相似材料，利用真实地形地貌参数三维建模，利用3D打印技术生成岩体模拟件，岩体模拟件为三维地质模型21，在三维地质模型21中提前布设变形位移传感器、应力传感器51，通过预留通道11将三维地质模型21放入箱体内，将预留通道11采取密封处理，防止渗漏水发生。
其次，在箱体1内部一侧不同深度范围内和水底不同高程内安装多个水压力传感器和流速传感器52，通过安装在箱体1的进水口31进行充水，待水位达到试验设计高度后停止进水，保持水位要高于水压力传感器52的高度，试验开始之前，调节进水口31的水流速度，同时保持排水口32通畅，反之，通过将排水口改为进水口，实现水流方向的变化。
再次，箱体1上方为设置进风口41，试验之前测定不同气压和风速条件下生成波浪后水压力的变化范围，根据试验要求动态调节气压和风速的输入取值。
最后，岩体变形传感器、应力传感器51和水压力传感器、流速传感器52连接计算机，并测试其灵敏度和有效性，检查各试验条件是否达到要求，开展相应试验。
需要说明的是，通过箱体底部的升降机构7可模拟潮汐流等由于地球自转而产生的自然现象，从而研究潮汐流对水下岩体的影响规律。
需要说明的是，箱体1可实现试验全过程的可视和及时追踪，便于记录试验过程和关键节点，大大提高了试验效率。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.风-浪-岩三相全耦合试验系统，其特征在于，包括箱体，箱体内设置岩体或岩体模拟件，岩体或岩体模拟件设置若干变形传感器和应力传感器，箱体与进水单元连接，箱体与进风单元连接以向箱体内通入风，变形传感器、应力传感器、进水单元和进风单元分别与监测单元连接。
2.根据权利要求1所述的风-浪-岩三相全耦合试验系统，其特征在于，所述箱体设置进风口，进风口与所述的进风单元连接；
所述进风单元包括风机。
3.根据权利要求1所述的风-浪-岩三相全耦合试验系统，其特征在于，所述箱体由可视化材料制作；
所述箱体的底部设置升降机构。
4.根据权利要求1所述的风-浪-岩三相全耦合试验系统，其特征在于，所述箱体还设有气压输入口，气压输入口与气压改变机构连接，气压改变机构与所述的监测单元连接。
5.根据权利要求1所述的风-浪-岩三相全耦合试验系统，其特征在于，所述箱体设置至少两个水口，至少两个水口各自与所述的进水单元连接，进水单元包括水箱和水泵，水箱通过水泵与水口连接，水泵将水箱内的水通过水口送入箱体内。
6.根据权利要求5所述的风-浪-岩三相全耦合试验系统，其特征在于，所述水泵与所述的监测单元连接，两个所述的水口为一个进水口和一个排水口。
7.根据权利要求1所述的风-浪-岩三相全耦合试验系统，其特征在于，所述箱体内设置水压力传感器和流速传感器，水压力传感器和流速传感器可分别设置多个，多个水压力传感器和流速传感器可分别设置于不同的高度，水压力传感器、流速传感器分别与所述的监测单元连接，且水压力传感器和流速传感器非线性布设。
8.根据权利要求1所述的风-浪-岩三相全耦合试验系统，其特征在于，所述岩体模拟件通过3D打印而成。
9.根据权利要求1所述的风-浪-岩三相全耦合试验系统，其特征在于，所述岩体模拟件通过水下地形地质信息的构建进行建模，水下地形地貌地质信息通过激光扫描或成像技术进行获取。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的风-浪-岩三相全耦合试验系统的试验方法，其特征在于，包括如下内容：
在岩体或岩体模拟件中设置变形传感器和应力传感器，将岩体或岩体模拟件放置于箱体内；
通过进水单元向箱体内通入设定体积的水或海水；
在箱体内不同高度设置多个水压力传感器；
向箱体内通入风，风吹动水或海水，以在箱体内形成波浪；
通过监测单元控制进水单元的进水流速，控制风进入箱体内的速度，通过各个传感器记录相应的数据。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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Inventor after: Wang Jing Inventor after: He Jingyuan Inventor after: Ba Xingzhi Inventor after: Wang Lige Inventor after: Wang Qinshan Inventor after: Li Shucai Inventor after: Xiong Yifan Inventor after: Cao Dianbin Inventor after: Fang Zhongdong Inventor after: Zhang Yijie Inventor before: Wang Jing Inventor before: He Jingyuan Inventor before: Ba Xingzhi Inventor before: Wang Lige Inventor before: Wang Qinshan Inventor before: Li Shucai Inventor before: Xiong Yifan Inventor before: Cao Dianbin Inventor before: Fang Zhongdong Inventor before: Zhang Yijie |
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