CN114279677B - 一种基于加速度等效的水下系泊体涡激振荡缩比试验方法 - Google Patents
一种基于加速度等效的水下系泊体涡激振荡缩比试验方法 Download PDFInfo
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Abstract
一种基于加速度等效的水下系泊体涡激振荡缩比试验方法，包括以下步骤：获得实际尺寸的水下系泊体质量与几何参数；按照几何比例1：λ对实际尺寸水下系泊体进行缩比；根据合成加速度反向相等g1＝‑gλ，获得等效后的试验模型参数；其中，g1表示倒挂后的试验模型的合成加速度；按照试验模型参数完成模型加工与质浮心调整；将试验模型悬挂在造流水池上方；记录试验模型在倒置大地坐标系OλXλYλZλ下的运动参数；获得实际尺寸系泊体在大地坐标系O0X0Y0Z0下的数据。本发明通过倒向悬挂的方式完成试验，测量涡激振荡特性。
Description
技术领域
本发明涉及一种涡激振荡缩比试验方法，尤其涉及一种基于加速度等效的水下系泊体涡激振荡缩比试验方法。
背景技术
涡激振荡是一种广泛存在的流体振荡现象，会使得结构产生运动或振动，影响寿命，严重时会使得结构发生破坏。随着高端装备走向深海与远海，对水下系泊体运动预示的需求愈发突显。掌握系泊体运动特性对其水下长期自持有巨大潜在价值，在如解决系泊体与系缆的动磨损、系泊体内部的微动磨损以及惯组的无依托对准等方面具有显著意义。
现有系泊体的涡激振荡试验技术，仅对实际尺寸系泊体进行缩比，试验模型为正浮力结构，通过系缆系泊在水池中。而受到水池深度的限制，系缆长度不能长于水池深度，不足以支撑长系缆系泊体的试验需求。
发明内容
本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出一种基于加速度等效的水下系泊体涡激振荡缩比试验方法，采用弗劳德数相似准则，通过加速度等效将具有正浮力的水下系留体的涡激振荡试验，转换为具有负浮力的系留体试验，通过倒向悬挂的方式完成试验，测量涡激振荡特性。
本发明的技术解决方案：一种基于加速度等效的水下系泊体涡激振荡缩比试验方法，包括以下步骤：
(1)获得实际尺寸的水下系泊体质量与几何参数，包括：质量m0，排水体积V0，质心与几何顶点的距离XG0，浮心与几何顶点的距离XF0，实际尺寸的水下系泊体的合成加速度ρ水为水的密度；g为重力加速度；
(2)按照几何比例1：λ对实际尺寸水下系泊体进行缩比，缩比后的质量mλ＝m0/λ3，缩比后排水体积Vλ＝V0/λ3，缩比后质心与几何顶点的距离XGλ＝XG0/λ，缩比后浮心与几何顶点的距离XFλ＝XF0/λ，缩比后合成加速度gλ＝g0；λ为设定值；
(3)根据合成加速度反向相等g1＝-gλ，获得试验模型参数：等效后质量等效后体积V1＝Vλ，等效后质心与几何顶点的距离XG1＝XFλ，等效后浮心与几何顶点的距离XF1＝XGλ；g1表示倒挂后的试验模型的合成加速度；
(4)按照试验模型参数完成模型加工与质浮心调整；
(5)将试验模型悬挂在造流水池上方，水池造流速度v0为实际尺寸水下系泊体环境的水流速度；
(6)记录试验模型在倒置大地坐标系OλXλYλZλ下的运动参数，包括三个方向线速度vxλ、vyλ、vzλ以及三个方向角速度ωxλ、ωyλ、ωzλ在时域的数据；
倒置大地坐标系OλXλYλZλ的定义如下：倒置大地坐标系原点Oλ在系缆与固定端的连接处，OλXλ指向水流方向，OλYλ垂直于地面指向下，OλZλ指向水平面内水流方向的垂直方向。
(7)对步骤(6)中的数据进行处理获得实际尺寸系泊体在大地坐标系O0X0Y0Z0下的数据，包括三个方向的线速度 三个方向的角速度/> 时间/>
大地坐标系O0X0Y0Z0的定义如下：大地坐标系原点O0在系缆与锚锭的连接处，O0X0指向水流方向，O0Y0垂直于地面指向上，O0Z0指向水平面内水流方向的垂直方向。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的技术方法，可以实现实际尺寸系泊体模型大比例尺的缩比试验，在受限深度的水池中完成长系缆试验。
(2)本发明的技术方法，可通过数据处理将缩比试验涡激振荡特性还原为实际尺寸系泊体的振荡特性。
(3)本发明的技术方法，可以将系泊点从水下转换至空中，可通过现有造流水池改造实现长系缆系泊体的涡激振荡试验，获得系泊体运动特性，是如系泊体与系缆的动磨损、系泊体内部的微动磨损以及惯组的无依托对准等问题的前提输入。
(4)本发明的技术方法，可大幅度缩减长系缆系泊体涡激振荡环境预示试验的成本与试验周期。
(5)已有试验方法，受限于试验水池深度，无法实现大于水池深度的系留系统试验。本发明提出一种基于加速度等效的水下系泊体涡激振荡缩比试验方法，采用弗劳德数相似准则，通过加速度等效将具有正浮力的水下系留体的涡激振荡试验，转换为具有负浮力的系留体试验，通过倒向悬挂的方式完成试验，测量涡激振荡特性。
附图说明
图1为本发明实施流程图；
图2为本发明的实际尺寸系泊体布局图；
图3为本发明的系泊体试验状态布局图。
具体实施方式
结合附图对本发明进行说明。
根据实际尺寸系泊体质量参数以及几何参数，进行弗劳德准则缩比，缩比比例尺为1：λ。实际尺寸系泊体合成加速度为g0，按照弗劳德数相似准则，获得合成加速度gλ＝g0的缩比状态。基于合成加速度等效，使g1＝-gλ，获得试验模型质量与几何参数，完成试验模型准备。开展悬挂状态下的涡激振荡试验，获得涡激振荡参数。通过相似性关系，将试验测量的涡激振荡特性转化为实际尺寸模型涡激振荡特性，完成数据处理。
如图2所示，水下系泊体1系留在水下，通过系缆2固定在锚锭3上，锚锭3锚在水底，在水流v0作用下会产生振荡运动。
如图3所示，试验造流水池4上方制造固定端5，泊体模型6经系缆模型7系与固定端5连接固定。
为开展缩比试验，模拟系泊体水下振荡特性，需按照基于加速度等效的水下系泊体涡激振荡缩比试验方法，准备试验模型并开展数据后处理工作。
如图1所示，一种基于加速度等效的水下系泊体涡激振荡缩比试验方法，包括以下步骤：
(1)获得实际尺寸水下系泊体质量与几何参数：质量m0，排水体积V0，质心轴向位置XG0，浮心轴向位置XF0，合成加速度
(2)按照几何比例1：λ对实际尺寸水下系泊体进行缩比，λ为设定值；缩比后质量mλ＝m0/λ3，缩比后排水体积Vλ＝V0/λ3，缩比后质心XGλ＝XG0/λ，缩比后浮心XFλ＝XF0/λ，缩比后合成加速度gλ＝g0。
(3)根据合成加速度反向相等g1＝-gλ，获得试验模型参数：等效后质量等效后体积V1＝Vλ，等效后质心XG1＝XFλ，等效后浮心XF1＝XGλ。
(4)按照试验模型参数完成模型加工与质浮心调整。
(5)将模型悬挂在造流水池上方，水池造流速度v0为实际尺寸水下系泊体环境的水流速度。
(6)记录试验模型在倒置大地坐标系OλXλYλZλ下的运动参数，包括三个方向线速度vxλ、vyλ、vzλ以及三个方向角速度ωxλ、ωyλ、ωzλ在时域的数据；
倒置大地坐标系OλXλYλZλ的定义如下：倒置大地坐标系原点Oλ在系缆与固定端的连接处，OλXλ指向水流方向，OλYλ垂直于地面指向下，OλZλ指向水平面内水流方向的垂直方向。
(7)对步骤(6)中的数据进行处理获得实际尺寸系泊体在大地坐标系O0X0Y0Z0下的数据，包括三个方向的线速度 三个方向的角速度/> 时间/>
大地坐标系O0X0Y0Z0的定义如下：大地坐标系原点O0在系缆与锚锭的连接处，O0X0指向水流方向，O0Y0垂直于地面指向上，O0Z0指向水平面内水流方向的垂直方向。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知技术。
Claims (9)
1.一种基于加速度等效的水下系泊体涡激振荡缩比试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、获得实际尺寸的水下系泊体质量与几何参数；
步骤2、按照几何比例1：λ对实际尺寸水下系泊体进行缩比；λ为设定值；
步骤3、根据合成加速度反向相等g1＝-gλ，获得等效后的试验模型参数；其中，g1表示倒挂后的试验模型的合成加速度；
步骤4、按照试验模型参数完成模型加工与质浮心调整；
步骤5、将试验模型悬挂在造流水池上方；
步骤6、记录试验模型在倒置大地坐标系OλXλYλZλ下的运动参数；
步骤7、对步骤6中的数据进行处理，获得实际尺寸系泊体在大地坐标系O0X0Y0Z0下的数据。
2.根据权利要求1所述的一种基于加速度等效的水下系泊体涡激振荡缩比试验方法，其特征在于，步骤1中，实际尺寸的水下系泊体质量与几何参数包括：质量m0，排水体积V0，质心与几何顶点的距离XG0，浮心与几何顶点的距离XF0，实际尺寸的水下系泊体的合成加速度ρ水为水的密度；g为重力加速度。
3.根据权利要求2所述的一种基于加速度等效的水下系泊体涡激振荡缩比试验方法，其特征在于，步骤2中，缩比后的质量mλ＝m0/λ3，缩比后排水体积Vλ＝V0/λ3，缩比后质心与几何顶点的距离XGλ＝XG0/λ，缩比后浮心与几何顶点的距离XFλ＝XF0/λ，缩比后合成加速度gλ＝g0。
4.根据权利要求3所述的一种基于加速度等效的水下系泊体涡激振荡缩比试验方法，其特征在于，步骤3中，等效后的试验模型参数包括：等效后质量等效后体积V1＝Vλ，等效后质心与几何顶点的距离XG1＝XFλ，等效后浮心与几何顶点的距离XF1＝XGλ。
5.根据权利要求4所述的一种基于加速度等效的水下系泊体涡激振荡缩比试验方法，其特征在于，步骤5中，水池造流速度
其中，v0为实际尺寸水下系泊体环境的水流速度。
6.根据权利要求5所述的一种基于加速度等效的水下系泊体涡激振荡缩比试验方法，其特征在于，倒置大地坐标系OλXλYλZλ的定义如下：倒置大地坐标系原点Oλ在系缆与固定端的连接处，OλXλ指向水流方向，OλYλ垂直于地面指向下，OλZλ指向水平面内水流方向的垂直方向。
7.根据权利要求6所述的一种基于加速度等效的水下系泊体涡激振荡缩比试验方法，其特征在于，试验模型在倒置大地坐标系OλXλYλZλ下的运动参数包括三个方向的线速度vxλ、vyλ、vzλ以及三个方向的角速度ωxλ、ωyλ、ωzλ在时域的数据。
8.根据权利要求7所述的一种基于加速度等效的水下系泊体涡激振荡缩比试验方法，其特征在于，大地坐标系O0X0Y0Z0的定义如下：大地坐标系原点O0在系缆与锚锭的连接处，O0X0指向水流方向，O0Y0垂直于地面指向上，O0Z0指向水平面内水流方向的垂直方向。
9.根据权利要求8所述的一种基于加速度等效的水下系泊体涡激振荡缩比试验方法，其特征在于，实际尺寸系泊体在大地坐标系O0X0Y0Z0下的数据包括三个方向的线速度三个方向的角速度时间/>
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