CN114459731B - 一种卧式循环水槽 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卧式循环水槽，包括储水池、造流系统、造波系统，造流系统与造波系统平行串联设置；造流系统包括依次相连的水泵、扩散段、整流段、收缩段、造流试验段，水泵设置于储水池内；造波系统包括造波机、波流试验段、消波装置，造波机的造波板位于波流试验段进水口的上游，消波装置设置于储水池内；造流试验段与波流试验段通过下沉通道连通；水流通过水泵驱动从储水池流经扩散段、整流段、收缩段、造流试验段、下沉通道、波流试验段，最终回到储水池，形成循环回路。本发明充分利用了有限的空间，既能够保证造流需求时的流场品质，也能够保证造波时的大波高、长时间、变水深的波浪需求，还能够完成兼顾波流性能的波流耦合试验。

Description

一种卧式循环水槽

技术领域

本发明属于船舶与海洋工程水动力试验技术领域，具体涉及一种可以兼顾流场品质和波浪性能的卧式循环水槽。

背景技术

循环水槽是船舶与海洋工程水动力学研究领域的重要试验设备之一。近些年，国内外的各科研单位相继建造了多座不同形式和不同功用的循环水槽，如图1所示，这些传统结构形式的循环水槽都只设有一个试验段，该试验段既可以造流也可以造波。但是上述现有技术存在以下技术问题：

(1)传统形式的卧式循环水槽，为了形成较好的流场品质，扩散段建的较长，占用很大一部空间，导致试验段较短，存在空间利用率不高的问题。

(2)传统形式的卧式循环水槽，只设有一个试验段，即造波与造流功能共用一个试验段。由于试验段进流口处空间及结构的限制，又为了保证水流能够正常循环流动，使得造波设备大多采用摆体式造波机(如图2所示)，摆体式造波板设置在水面附近，该种安装方式和造波形式使得产生的波高基本在0.15米以下，且水深可调范围不大。

(3)传统形式的卧式循环水槽，由于只设有一个试验段，为了水流正常循环流动，只能设置可移动式消波装置。当波流耦合试验时，为了满足长时间造波且保证良好的波浪品质，必须把消波装置放置于试验段下游，此时消波装置会对水流存在一定的阻塞效应；若不放置消波装置，则对岸(弯曲壁面)产生的反射波将会对试验产生影响，即无法长时间造波。因此，不能完成波流耦合复杂工况试验模拟。

(4)传统形式的卧式循环水槽，由于只设有一个试验段，每次只能进行一种试验，单独造流试验或者单独造波试验。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对上述现有技术存在的不足，提供一种具有两个试验段且能够兼顾波流品质的卧式循环水槽，进而满足多种水动力学试验需求。

本发明为解决上述提出的技术问题所采用的技术方案为：

一种卧式循环水槽，所述卧式循环水槽包括造流系统和造波系统，所述造流系统与造波系统平行串联设置。

上述方案中，所述卧式循环水槽还包括储水池；所述造流系统包括依次相连的水泵、扩散段、整流段、收缩段、造流试验段，所述水泵设置于所述储水池内；所述造波系统包括造波机、波流试验段、消波装置，所述造波机的造波板位于所述波流试验段进水口的上游，所述消波装置设置于储水池内；所述造流试验段与波流试验段通过下沉通道连通；水流通过水泵驱动从储水池流经扩散段、整流段、收缩段、造流试验段、下沉通道、波流试验段，最终回到储水池，形成循环回路。

上述方案中，所述扩散段的扩散角大于10度。

上述方案中，所述扩散段内设置若干隔板，把水流分隔成多个流动区域。

上述方案中，所述造波机采用非摆体式，造波机包括机架、造波板、造波控制系统、运动单元、伺服电机，所述机架独立于水槽，固定安装于地面上，所述伺服电机和运动单元安装在水面上方的机架上，所述造波板与运动单元连接，通过所述造波控制系统控制所述伺服电机驱动所述运动单元进而带动所述造波板运动。

上述方案中，所述消波装置为斜坡式，斜坡式消波装置固定在储水池中，较低端朝向波流试验段；消波装置右侧与储水池池壁连接，消波装置前面底部与储水池和波流试验段底部交接处连接，消波装置左前方与储水池和波流试验段左侧交接处连接，消波装置左后方与储水池中的导流片连接。

上述方案中，所述下沉通道位于水槽底面的下方，下沉通道一端与造流试验段出水口连接，另一端与波流试验段进水口连接，下沉通道中的造流试验段出水口的截面积与波流试验段进水口的截面积保持一致；下沉通道与造流试验段、波流试验段的连接处以及下沉通道转角处均设有导流片。

上述方案中，所述造流试验段和波流试验段均为上部开口的长方体槽形结构，框架为钢结构，侧壁及底面均采用夹胶钢化玻璃，方便试验人员观察流场。

上述方案中，所述整流段内放置方形网格蜂窝器，用来减少水流的旋转流动。

上述方案中，所述收缩段采用五次曲线收缩法设计，采用三面收缩，两侧与底部为样条曲线，顶部与整流段平齐。

本发明的有益效果在于：

(1)空间利用率高。由于在扩散段内增设若干隔板，把扩散段内的水流分成多个流动区域，使得能够在较大扩散角、较短扩散段长度也能达到降低水流湍动能的目的，因此，在有限的空间中可以使造流试验段长度更长，波流试验段长度更长。

(2)可以进行复杂工况的模拟。造流试验段作为一个独立的试验段，斜坡式消波装置固定在储水池中，储水池中有足够的空间让循环的水流流动，即降低了消波装置对试验段的阻塞效应；由于波流试验段的水流是从下沉通道流入波流试验段，下沉通道在波流试验段的进水口设置于造波板下游，因此即使采用非摆体式造波也不影响水流的循环流动；由于波流试验段采用非摆体式造波，对岸设置斜坡式消波装置，因此可以实现大波高、长时间、变水深造波的试验需求。

(3)同时进行两种试验。根据试验需求选择造波或造流：由于设置了独立的造流试验段和波流试验段，并通过消波装置和下沉通道的合理设置，降低了造波系统和造流系统的之间的干扰，在造流试验段进行结构物阻力相关的水动力试验的同时，在波流试验段进行结构物波流耦合相关试验，而且可以做到两种试验互不干扰，提高试验效率；也可以仅启动水泵并在造流试验段进行结构物阻力相关的水动力试验或仅启动造波机并在波流试验段进行结构物在波浪中的运动相应相关试验。因此，本设备可以满足不同试验需求和试验工况，节约建设投入成本和运行维护成本。

综上所述，本发明的卧式循环水槽充分利用了有限的空间，设置造流试验段与波流试验段，既能够保证造流需求时的流场品质，也能够保证造波时的大波高、长时间、变水深的波浪需求，还能够完成兼顾波流性能的波流耦合试验。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是传统卧式循环水槽的结构示意图；

图2是图1所示传统卧式循环水槽所采用的摆体式造波机的结构示意图；

图3是本发明卧式循环水槽的俯视图；

图4是图3所示卧式循环水槽的造流试验段的侧视图；

图5是图3所示卧式循环水槽的波流试验段的侧视图；

图6是图3所示卧式循环水槽的扩散段的结构示意图；

图7是图3所示卧式循环水槽的收缩段的结构示意图；

图8是图3所示卧式循环水槽的下沉通道的俯视图；

图9是图3所示卧式循环水槽的消波装置的俯视图；

图10是图3所示卧式循环水槽的消波装置的侧视图。

图中：1、储水池；2、水泵；3、扩散段；31、隔板；4、整流段；5、收缩段；6、造流试验段；7、下沉通道；8、造波机；9、波流试验段；10、消波装置；11、导流片。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

如图3所示，为本发明实施例提供的一种卧式循环水槽，包括储水池1、造流系统和造波系统，造流系统与造波系统平行串联设置。造流系统包括水泵2、扩散段3、整流段4、收缩段5、造流试验段6，水泵2设置于储水池1内，水泵2、扩散段3、整流段4、收缩段5、造流试验段6之间通过法兰依次相连。造波系统包括造波机8、波流试验段9和消波装置10，造波机8的造波板位于波流试验段9进水口的上游，消波装置10设置于储水池1内。造流试验段6和波流试验段9通过下沉通道7连通。水流通过水泵2驱动从储水池1流经扩散段3、整流段4、收缩段5、造流试验段6、下沉通道7、波流试验段9，最终回到储水池1，形成水流的循环回路。

本发明通过平行串联设置的造流试验段6和波流试验段9，可以节省空间，使在有限的空间中同时做两个试验段；也可以使造流试验与波流试验能够同时进行，互不干扰；同时还可以解决传统循环水槽波流试验时，水流阻塞的问题。

参见图3-5，储水池1为钢筋混泥土结构，一部分位于地面以上，一部分位于地面以下，储水池1设置在扩散段3上游、波流试验段9下游。轴流水泵2安装在储水池1中，且水泵2叶片安装于地面以下，相比普通卧式循环水槽，该循环水槽在浅水实验时水泵2的浸深也有足够深度，因此，水泵2更不易发生空化现象。储水池1内部设置导流片11，可减小从波流试验段9循环到储水池1中的水流发生流动分离。

参见图6，扩散段3设计的较常规循环水槽短，扩散角较大，这样可以充分利用有限的空间进而获得较长的试验段。为了减小扩散角造成的流动分离现象，在扩散段3内增设水平和竖直交错布置的四块隔板31，把水流分隔成九部分，进而减少回流现象。扩散段3选用不锈钢材料。进一步优化，扩散角大于10度。扩散段3与水泵2出口连接端面为圆形，与整流段4连接端面为矩形。

整流段4为矩形管道，一端与扩散段3连接，一端与收缩段5连接，整流段4内放置方形网格蜂窝器，用来减少水流的旋转流动。

参见图7，收缩段5采用五次曲线收缩法设计，采用三面收缩，两侧与底部为样条曲线，顶部与整流段4平齐，可以快速达到提高流速与流场稳定性的效果。收缩段5一端与整流段4连接，一端与造流试验段6连接。收缩段5入水口截面与出水口截面的比值称为收缩比，本实施例中，收缩段5收缩比为3.5；拐点位置为0.5，即反向弯曲点在中间位置，这种收缩方式在设计时可以任意设定收缩段5的长度。

造流试验段6为上部开口的长方体槽形结构，框架为钢结构，造流试验段6侧壁及底面均采用夹胶钢化玻璃，方便试验人员观察流场。

波流试验段9为上部开口的长方体槽形结构，框架为钢结构，波流试验段9侧壁及底面均采用夹胶钢化玻璃，方便试验人员观察波浪场及流场。

参见图8，下沉通道7为不锈钢焊接而成的L形管道，下沉通道7位于水槽底面下方，下沉通道7一端与造流试验段6出水口连接，另一端与波流试验段9进水口连接。下沉通道7中的造流试验段6出水口的截面积与波流试验段9进水口的截面积保持一致，以满足质量守恒。为了减小流动分离，下沉通道7与造流试验段6、波流试验段9的连接处以及下沉通道7转角处均设有导流片11。导流片11采用多层圆弧形，圆弧两边分别与转角处的边壁相切。下沉通道7设置成L形且位于槽底下方，可以使循环的水流从波流试验段9的槽底部进入波流试验段9，在水槽宽度方向上保证流速的一致性，且不干涉造波运动。

造波机8采用非摆体式，可采用推板式造波机、摇板式造波机、沖箱式造波机或活塞式造波机，以适应变水深、大波高的试验需求。造波机8包括机架、造波板、造波控制系统、运动单元、交流伺服电机等元器件，其中，机架独立于水槽，机架采用矩形钢焊接而成，通过四根矩形钢与地面上预埋的钢板固定连接；运动单元和伺服电机安装在水面上方的机架上，造波板与运动单元连接，通过造波控制系统控制交流伺服电机驱动运动单元进而带动造波板运动。造波板置于水槽中，宽度略小于水槽宽度，底部接近槽底。为了使造波机8不影响水流在波流试验段9的流动，将造波板置于波流试验段9进水口的上游。由于波流试验段9的水流是从下沉通道7流入波流试验段9，下沉通道7在波流试验段9的进水口设置于造波板下游，因此即使采用非摆体式造波也不影响水流的循环流动。由于波流试验段9采用非摆体式造波，对岸设置斜坡式消波装置10，因此可以实现大波高、长时间、变水深造波的试验需求。造波机8的机械部分独立于水槽的目的是减轻对水槽的负载，以及减少造波机械运动产生的振动对水面的影响。

参见图9-10，消波装置10为斜坡式，斜坡式消波装置10固定在储水池1中，较低端(图10的前方)朝向波流试验段9。消波装置10右侧与储水池1池壁预埋钢件连接，消波装置10前面底部与储水池1和波流试验段9底部交接处连接，消波装置10左前方与储水池1和波流试验段9左侧交接处连接，消波装置10左后方与储水池1中的导流片11连接。储水池1中有足够的空间让循环的水流流动，降低了消波装置10对试验段的阻塞效应，可以实现长时间造波的试验需求。

本发明提出的卧式循环水槽，其工作过程如下：

波流耦合功能的应用步骤：首先可根据试验水深需求调节循环水槽的水深。启动水泵2，水流通过储水池1依次进入扩散段3、整流段4、收缩段5，稳定后的水流进入造流试验段6，从而可以进行结构物阻力相关的水动力试验；水流从造流试验段6流出，经过导流片11和下沉通道7流入波流试验段9，从而可以进行结构物波流耦合相关试验，之后水流从波流试验段9流入储水池1，形成一个完整的水流循环过程。

独立造流功能的应用步骤：首先可根据试验水深需求调节循环水槽的水深。启动水泵2，水流通过储水池1依次进入扩散段3、整流段4、收缩段5，稳定后的水流进入造流试验段6，从而可以进行结构物阻力相关的水动力试验。

独立造波功能的应用步骤：首先可根据试验水深需求调节循环水槽的水深。启动造波机8，在波流试验段9进行结构物在波浪中的运动响应相关试验。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种卧式循环水槽，其特征在于，所述卧式循环水槽包括造流系统和造波系统，所述造流系统与造波系统平行串联设置；所述卧式循环水槽还包括储水池；所述造流系统包括依次相连的水泵、扩散段、整流段、收缩段、造流试验段，所述水泵设置于所述储水池内；所述扩散段的扩散角大于10度；所述扩散段内设置若干隔板，把水流分隔成多个流动区域；所述造波系统包括造波机、波流试验段、消波装置，所述造波机的造波板位于所述波流试验段进水口的上游，所述消波装置设置于储水池内；所述造流试验段和波流试验段均为上部开口的长方体槽形结构，造流试验段与波流试验段通过下沉通道连通；水流通过水泵驱动从储水池流经扩散段、整流段、收缩段、造流试验段、下沉通道、波流试验段，最终回到储水池，形成循环回路。

2.根据权利要求1所述的卧式循环水槽，其特征在于，所述造波机采用非摆体式，造波机包括机架、造波板、造波控制系统、运动单元、伺服电机，所述机架独立于水槽，固定安装于地面上，所述伺服电机和运动单元安装在水面上方的机架上，所述造波板与运动单元连接，通过所述造波控制系统控制所述伺服电机驱动所述运动单元进而带动所述造波板运动。

3.根据权利要求1所述的卧式循环水槽，其特征在于，所述消波装置为斜坡式，斜坡式消波装置固定在储水池中，较低端朝向波流试验段；消波装置右侧与储水池池壁连接，消波装置前面底部与储水池和波流试验段底部交接处连接，消波装置左前方与储水池和波流试验段左侧交接处连接，消波装置左后方与储水池中的导流片连接。

4.根据权利要求1所述的卧式循环水槽，其特征在于，所述下沉通道位于水槽底面的下方，下沉通道一端与造流试验段出水口连接，另一端与波流试验段进水口连接，下沉通道中的造流试验段出水口的截面积与波流试验段进水口的截面积保持一致；下沉通道与造流试验段、波流试验段的连接处以及下沉通道转角处均设有导流片。

5.根据权利要求1所述的卧式循环水槽，其特征在于，所述造流试验段和波流试验段的框架为钢结构，侧壁及底面均采用夹胶钢化玻璃，方便试验人员观察流场。

6.根据权利要求1所述的卧式循环水槽，其特征在于，所述整流段内放置方形网格蜂窝器，用来减少水流的旋转流动。

7.根据权利要求1所述的卧式循环水槽，其特征在于，所述收缩段采用五次曲线收缩法设计，采用三面收缩，两侧与底部为样条曲线，顶部与整流段平齐。

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