CN113670571B - 一种异重流作用下吊装系泊海洋结构物运动响应试验装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异重流作用下吊装系泊海洋结构物运动响应试验装置，涉及海洋工程试验领域，包括开闸式异重流水槽、闸板装置、吊装系泊模拟装置和海洋结构物模型，其中，所述闸板装置将所述开闸式异重流水槽分为左右两部分，所述吊装系泊模拟装置固定连接在所述开闸式异重流水槽上，所述海洋结构物模型与所述吊装系泊模拟装置相连，所述吊装系泊模拟装置可以调节所述海洋结构物模型的水平位置、横向位置、高度和角度。本发明提供了一种基于开闸式异重流水槽试验模拟吊装或系泊海洋结构物在异重流作用下运动的试验装置，以支持对海洋结构物安装或海底施工中遭遇异重流时所受环境载荷的试验研究。

Description

一种异重流作用下吊装系泊海洋结构物运动响应试验装置

技术领域

本发明涉及海洋工程试验领域，尤其涉及一种异重流作用下吊装系泊海洋结构物运动响应试验装置。

背景技术

中国是海洋大国，拥有广袤的海洋国土，蕴藏着丰富资源，海洋开发已成为中国可持续发展的必经之路，海洋工程建设是海洋强国建设的重要保障。复杂的海洋环境是海洋工程建设中面临的巨大挑战，在海洋中尤其是江河入口等位置，由于海水与河水密度差异，常会形成速度高能量高的异重流。异重流是多种流体在互相接触流动时，因为各种流体之间密度的不同形成的相对运动。流体的密度差异有许多种类，气流或水流的温度不同，气流中裹挟尘埃、雪花，水流中携带细粒泥沙或含有盐分等，都可造成流体密度差别而形成异重流运动。

异重流的存在可能会诱发灾害与工程事故。2014年港珠澳大桥工程的隧道建设施工中，在隧道沉管安装环节，沉管结构物的一端出现超出预计的大位移，其原因是异重流的存在，当时的海流观测结果表明，施工地点海域在涨潮时，海水流向淡水，并在重力作用下，向下流入淡水下层，使得沉管安装的基槽内的下层流体产生较大的流速，因此对其中的沉管产生极大作用力。假如忽视海底地貌和海水密度差异的因素，在海况计算预报中，流体作用在结构物的上的力会被错误计算，这说明异重流会造成海上施工作业的重大安全隐患。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种在液体密度差异导致的异重流作用下对结构物的动态响应及受力开展试验研究的模型，对海洋结构物开发及海上施工等工程领域，有重要的参考价值。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于开闸式异重流水槽试验模拟吊装或系泊海洋结构物在异重流作用下运动的试验装置，以支持对海洋结构物安装或海底施工中遭遇异重流时所受环境载荷的试验研究。

为实现上述目的，本发明提供了一种异重流作用下吊装系泊海洋结构物运动响应试验装置，其特征在于，包括开闸式异重流水槽、闸板装置、吊装系泊模拟装置和海洋结构物模型，其中，所述闸板装置将所述开闸式异重流水槽分为左右两部分，所述闸板装置包括闸板和闸板垂向滑槽，所述闸板垂向滑槽固定连接在所述开闸式异重流水槽的侧壁上，所述闸板可以沿所述闸板垂向滑槽在垂直方向上运动，所述吊装系泊模拟装置固定连接在所述开闸式异重流水槽上，所述海洋结构物模型与所述吊装系泊模拟装置相连，所述吊装系泊模拟装置可以调节所述海洋结构物模型的水平位置、横向位置、高度和角度。

进一步地，所述开闸式异重流水槽包括盐水入水口、淡水入水口和排水口，所述盐水入水口和所述淡水入水口分别位于所述开闸式异重流水槽的左右两部分。

进一步地，所述开闸式异重流水槽的底部可以放置不同形状的底板，模拟海底地形。

进一步地，所述吊装系泊模拟装置包括水平导轨、水平滑块、横向导轨和横向滑块，所述水平导轨固定在所述开闸式异重流水槽的上部，所述水平滑块可以沿所述水平导轨自由滑动，所述横向导轨安置在所述水平滑块上，所述横向滑块可以沿所述横向导轨自由滑动。

进一步地，所述横向导轨上设有横向导轨滑槽，所述水平滑块的上部为圆柱形，所述横向导轨通过所述横向导轨滑槽与所述水平滑块的上部圆柱契合，所述横向导轨可以沿所述水平滑块滑动或旋转。

进一步地，所述水平滑块与所述水平导轨之间设有锁紧装置，所述横向导轨与所述水平滑块之间设有锁紧装置，所述横向滑块与所述横向导轨之间设有锁紧装置。

进一步地，所述吊装系泊模拟装置还包括垂向调节杆，所述横向滑块的端面设有夹持装置用以夹持锁紧所述垂向调节杆，所述夹持装置可以调节所述垂向调节杆的垂直位置。

进一步地，所述吊装系泊模拟装置还包括吊索或系泊缆，所述海洋结构物模型通过所述吊索或系泊缆与所述垂向调节杆相连。

进一步地，所述水平导轨两侧标有刻度，所述垂向调节杆侧面标有刻度，所述垂向调节杆和所述吊索或系泊缆之间串联有力传感器。

进一步地，所述异重流作用下吊装系泊海洋结构物运动响应试验装置还包括相机，所述开闸式异重流水槽使用透明有机玻璃制作，所述相机用于记录所述海洋结构物模型的运动情况。

开闸式异重流水槽通过调节盐水密度和盐水深度可模拟不同密度比和初始高度的开闸式异重流，水槽底部可放置不同形状底板模拟海底地形，有机玻璃全透明水槽方便高速摄像机拍摄结构物运动或使用PIV粒子流场测速技术捕捉流场，水平导轨固定于水槽上部，可准确调节海洋结构物水平位置，横向导轨通过水平滑块安置在水平导轨上，可转动调节海洋结构物吊挂点纵向位置和迎流角度，垂向调节杆可以沿垂直方向调节模拟不同吊挂点位置，在三个方向调节装置的配合下可实现各位置各角度吊装海洋结构物遭遇异重流来流的模拟，吊索串联力传感器实时检测吊装受力。本装置基于异重流作用下吊装海洋结构物运动试验，具有可重构、可调节、操作简便等优点。

在本发明的较佳实施方式中，开闸式异重流水槽结构简单、操作便捷，节约试验时间和人力成本，提高试验效率，可在此基础上加装海底模型，模拟各种海底环境。吊装系泊模拟装置具有三维全方位可调整的支架，水平位置、横向位置、高度和角度可调，适用于不同水深和不同形状尺寸的海洋结构物吊装或系泊运动试验，一套装置可适用于多种试验。吊装系泊模拟装置采用模块化设计，各部分相互独立，可重构，可根据不同尺寸形状的海洋结构物模型进行装置的调整，方便广泛使用与功能扩展。本发明还可搭载力传感器，对异重流作用下海洋结构物所受环境载荷进行采集，并且适用于高速摄像机对海洋结构物运动模式进行采集和PIV粒子流场采集技术对异重流绕流流场进行采集，可获得多种数据供进一步分析。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1是本发明的一个较佳实施例的一种异重流作用下吊装系泊海洋结构物运动响应试验装置的轴测图；

图2是本发明的一个较佳实施例的一种异重流作用下吊装系泊海洋结构物运动响应试验装置的吊装系泊装置局部轴测图；

图3是本发明的一个较佳实施例的一种异重流作用下吊装系泊海洋结构物运动响应试验装置的俯视图；

图4是本发明的一个较佳实施例的一种异重流作用下吊装系泊海洋结构物运动响应试验装置的正视图；

图5是本发明的一个较佳实施例的一种异重流作用下吊装系泊海洋结构物运动响应试验装置的右视图；

图6是本发明的一个较佳实施例的一种异重流作用下吊装系泊海洋结构物运动响应试验装置的斜向来流工况下的吊装系泊装置局部俯视图；

其中，1-开闸式异重流水槽，2-盐水入水口，3-淡水入水口，4-排水口，5-闸板，6-闸板垂向滑槽，7-水平导轨，8-水平滑块，9-横向导轨，10-横向滑块，11-垂向调节杆，12-横向导轨滑槽，13-水平滑块上部圆柱，14-吊索或系泊缆，15-相机，16-海洋结构物模型。

具体实施方式

以下参考说明书附图介绍本发明的多个优选实施例，使其技术内容更加清楚和便于理解。本发明可以通过许多不同形式的实施例来得以体现，本发明的保护范围并非仅限于文中提到的实施例。

在附图中，结构相同的部件以相同数字标号表示，各处结构或功能相似的组件以相似数字标号表示。附图所示的每一组件的尺寸和厚度是任意示出的，本发明并没有限定每个组件的尺寸和厚度。为了使图示更清晰，附图中有些地方适当夸大了部件的厚度。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，一种异重流下的海洋结构物运动响应吊装模拟装置，包括开闸式异重流水槽1、盐水入水口2、淡水入水口3、排水口4、闸板5、闸板垂向滑槽6、水平导轨7、水平滑块8、横向导轨9、横向滑块10、垂向调节杆11、横向导轨滑槽12、水平滑块上部圆柱13、吊索或系泊缆14、相机15；其中，开闸式异重流水槽1使用透明有机玻璃制作，方便进行结构物运动过程的拍摄和流场捕捉，水槽侧壁装有闸板垂向滑槽6，可固定闸板5将开闸式异重流水槽1分隔为左右两部分，左侧可盛装一定高度的一定浓度盐水，右侧盛装一定高度的淡水，试验中可沿垂直方向抽掉闸板5形成开闸式异重流，可根据需要调节盐水浓度及高度，在水槽底部模拟各类海底地形，满足各种试验工况要求。

水平导轨7及水平滑块8固定在开闸式异重流水槽1上部，水平导轨7为金属材质，两侧标有刻度尺，水平导轨7上的四个水平滑块8可沿水平导轨7自由滑动，并含锁紧装置，可准确固定在指定水平位置；水平滑块8用以支撑其承载的横向导轨9，水平滑块8的上部为圆柱形，水平滑块上部圆柱13可在横向导轨的滑槽中自由滑动旋转，并含锁紧装置可与横向导轨9锁紧。

横向导轨9及横向滑块10由水平滑块8承载，横向导轨9安置在水平滑块8上，通过横向导轨滑槽12与水平滑块上部圆柱13契合，使横向导轨9可沿水平滑块8滑动或旋转，并含锁紧装置可与水平滑块8相互锁紧，以此实现横向导轨9与水平导轨7之间角度的自由调整，进而通过调整吊装点位置可实现海洋结构物面对所有来流方向角度的模拟。横向滑块10可沿横向导轨9自由滑动，并含锁紧装置可准确固定在指定位置，横向滑块10端面有夹持装置用以夹持锁紧垂向调节杆11。

垂向调节杆11被夹持在横向滑块10上，可垂直调节高度，垂向调节杆11侧面标有刻度，可准确调节吊装系泊点高度位置，其下端连接吊索或系泊缆14模拟实际工况。

吊索或系泊缆14固定在垂向调节杆下端，可根据需求选用不同长度不同刚度的缆索，可串联力传感器来获取实时吊索受载。

本发明的一种异重流下的海洋结构物运动响应吊装模拟装置提供了一种不同密度比不同高度比异重流作用下的各种方位和迎流方向条件下的海洋结构物运动吊装系泊模拟方式。开闸式异重流水槽可实现开闸式异重流的模拟，通过盐水密度和高度的调节，提供了不同密度比异重流的实现方法；通过在水槽底部加装不同附件，可实现不同海底地形的模拟；全透明水槽便于使用高速摄像机或PIV流场采集装置对海洋结构物模型的运动和异重流绕流流场进行采集记录。本发明中的吊装系泊模拟装置相互配合调整，可实现对海洋结构物模型不同水平位置、横向位置、高度及迎流角的吊装或系泊模拟，避免对不同系泊条件都要设计专门装置，对于不同形状、不同尺寸、不同系泊要求的海洋结构物均适用。

本发明中的垂向调节杆和吊索之间可串联力传感器，在试验中实时观测海洋结构物遭受异重流作用过程中的承载力变化，对实际作业中可能出现的问题进行监测和分析。

本发明的一种异重流下的海洋结构物运动响应吊装模拟装置可调节、可重构，可以实现对多种形状、尺寸的海洋结构物在异重流作用下运动试验的模拟，可以适应多种密度比异重流工况，可以快速调节海洋结构物相对于来流方向的位置和方位角，可以实现对系泊结构受载的实时监测和对结构物运动或绕流流场的记录，为实际作业的设计、分析及风险管理等工作提供理论依据和数据支持。

下面结合附图的内容对本试验模拟装置的试验步骤进行详细描述。

在试验准备过程中：

步骤1、将开闸式异重流水槽1安置固定在水平底面或支撑架上，如需要模拟特殊海底地形，应将海底模型安装在水槽底部并固定，盐水入水口2连接盐水水箱，淡水入水口3连接淡水管道，排水口4连接排污管道或排污泵，将闸板5契合闸板垂向滑槽6，闸板5下端面密切贴合开闸式异重流水槽1底部，可沿闸板与水槽接触缝隙涂抹凡士林等水密材料提高水密性能；

步骤2、将两条水平导轨7固定在开闸式异重流水槽1上部，将四个水平滑块8分别契合在两条水平导轨7上，根据刻度调整至大致水平位置，保证滑块可自由滑动，方便细微调整；

步骤3、将横向导轨9安装在水平滑块8上，两端横向导轨滑槽12分别契合水平滑块上部圆柱13，保证横向导轨9可相对水平滑块上部圆柱13顺滑滑动旋转；

步骤4、将横向滑块10契合在横向导轨9上，具体数量和位置根据海洋结构物模型16所需吊装系泊点确定；

步骤5、将垂向调节杆11夹持在横向滑块10的夹持装置中，根据吊装点高度确定其垂向高度；

步骤6、将标定好的力传感器串联在垂向调节杆下端，与吊索或系泊缆14串联，吊索或系泊缆14可根据试验需求由一定刚度的弹簧、钢丝绳或尼龙绳等制作；

步骤7、将海洋结构物模型16在相应吊装或系泊点与吊索或系泊缆14连接；

步骤8、将相机15使用三角架固定在相应位置，以便记录结构物运动情况，如使用PIV粒子流场测速技术，此处需使用CCD相机，并进行相应的标定。

试验进行时：

步骤9、如图6所示，根据工况要求的海洋结构物位置及方位角，通过调节水平滑块8、横向导轨9、横向滑块10及垂向调节杆11，确保海洋结构物模型16吊装在相应位置角度，之后锁死各锁紧装置，避免试验中滑移；

步骤10、根据工况要求的异重流密度比和异重流深度，通过盐水入水口2和淡水入水口3分别向开闸式异重流水槽1中注入盐水和淡水到指定深度，如使用PIV粒子流场测速技术，此处还需要在淡水和盐水中均匀散布示踪粒子，并提供激光光源；

步骤11、准备好后，将闸板5沿闸板垂向滑槽6垂直向上抽出即可形成异重流，开启力传感器采集和相机记录，记录吊装系泊缆受力、结构物运动及周围流场状况；

步骤12、每次试验完成后，开启排水口4排水，开启下次试验只需要根据工况要求，重复步骤9-步骤11即可。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种异重流作用下吊装系泊海洋结构物运动响应试验装置，其特征在于，包括开闸式异重流水槽、闸板装置、吊装系泊模拟装置和海洋结构物模型，其中，所述闸板装置将所述开闸式异重流水槽分为左右两部分，所述闸板装置包括闸板和闸板垂向滑槽，所述闸板垂向滑槽固定连接在所述开闸式异重流水槽的侧壁上，所述闸板可以沿所述闸板垂向滑槽在垂直方向上运动，所述吊装系泊模拟装置固定连接在所述开闸式异重流水槽上，所述海洋结构物模型与所述吊装系泊模拟装置相连，所述吊装系泊模拟装置可以调节所述海洋结构物模型的水平位置、横向位置、高度和角度，所述吊装系泊模拟装置包括水平导轨、水平滑块、横向导轨和横向滑块，所述水平导轨固定在所述开闸式异重流水槽的上部，所述水平滑块可以沿所述水平导轨自由滑动，所述横向导轨安置在所述水平滑块上，所述横向滑块可以沿所述横向导轨自由滑动，所述横向导轨上设有横向导轨滑槽，所述水平滑块的上部为圆柱形，所述横向导轨通过所述横向导轨滑槽与所述水平滑块的上部圆柱契合，所述横向导轨可以沿所述水平滑块滑动或旋转，所述水平滑块与所述水平导轨之间设有锁紧装置，所述横向导轨与所述水平滑块之间设有锁紧装置，所述横向滑块与所述横向导轨之间设有锁紧装置，所述吊装系泊模拟装置还包括垂向调节杆，所述横向滑块的端面设有夹持装置用以夹持锁紧所述垂向调节杆，所述夹持装置可以调节所述垂向调节杆的垂直位置，所述吊装系泊模拟装置还包括吊索或系泊缆，所述海洋结构物模型通过所述吊索或系泊缆与所述垂向调节杆相连，所述水平导轨两侧标有刻度，所述垂向调节杆侧面标有刻度，所述垂向调节杆和所述吊索或系泊缆之间串联有力传感器，所述垂向调节杆下端连接所述吊索或系泊缆模拟实际工况，所述吊索或系泊缆为弹簧、钢丝绳或尼龙绳。

2.如权利要求1所述的一种异重流作用下吊装系泊海洋结构物运动响应试验装置，其特征在于，所述开闸式异重流水槽包括盐水入水口、淡水入水口和排水口，所述盐水入水口和所述淡水入水口分别位于所述开闸式异重流水槽的左右两部分。

3.如权利要求1所述的一种异重流作用下吊装系泊海洋结构物运动响应试验装置，其特征在于，所述开闸式异重流水槽的底部可以放置不同形状的底板，模拟海底地形。

4.如权利要求1所述的一种异重流作用下吊装系泊海洋结构物运动响应试验装置，其特征在于，所述异重流作用下吊装系泊海洋结构物运动响应试验装置还包括相机，所述开闸式异重流水槽使用透明有机玻璃制作，所述相机用于记录所述海洋结构物模型的运动情况。

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