CN114608800A - 一种波浪条件下的多自由度动态入水装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种波浪条件下的多自由度动态入水装置，包括实验水槽，可震荡地设置于实验水槽中的造波机构，位于实验水槽中的拖曳模拟机构，以及位于实验水槽外部的入水模拟机构；拖曳模拟机构包括延伸位于实验水槽中的移动轨道，设置于移动轨道上的拖曳模型，以及用于带动拖曳模型或移动轨道移动的驱动结构；入水模拟机构包括位于实验水槽外部的支架，设置于支架上的能够靠近或远离实验水槽的角度调节结构，以及能够连接或脱离角度调节结构设置的入水模型。上述设计通过多功能耦合的方式，实现动态多自由度入水，表面波浪、内波、内孤立波等波浪的产生，以及拖曳运动三方面功能，有效地提高模拟效果，为后续研究分析提供有力的支撑。

Description

一种波浪条件下的多自由度动态入水装置

技术领域

本发明实施例涉及海洋工程技术领域，具体涉及一种波浪条件下的多自由度动态入水装置。

背景技术

入水问题涉及介质密度突变、湍流、相变、非定常等复杂的流动现象，是典型的固-液-气三相问题，具有强瞬时性和强非线性的特点。在复杂环境(表面波浪、内波)下，由于波浪等多种流场的耦合作用会导致物体的运动更加复杂，从而影响其运动稳定性。

在实验室环境下，对于入水问题的研究多数不考虑波浪作用，且一般情况下的入水模拟是采用固定方向或固定位置入水。因此，导致实验过程中模拟的入水过程相较于实际入水过程存在着较大的误差，从而往往会导致实验环境下模拟得到的参数在应用于实际分析中难以取得偏差较小的满意的结果。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种波浪条件下的多自由度动态入水装置，通过多功能耦合的方式，实现动态多自由度入水，表面波浪、内波、内孤立波等波浪的产生，以及拖曳运动三方面功能，有效地提高模拟效果，为后续研究分析提供有力的支撑。

为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：

在本发明实施例的一个方面，提供了一种波浪条件下的多自由度动态入水装置，包括实验水槽，至少部分可震荡地设置于所述实验水槽中的造波机构，至少部分位于所述实验水槽中的拖曳模拟机构，以及位于所述实验水槽外部的入水模拟机构；其中，

所述拖曳模拟机构包括延伸位于所述实验水槽中的移动轨道，设置于所述移动轨道上的拖曳模型，以及用于带动所述拖曳模型或所述移动轨道移动的驱动结构；

所述入水模拟机构包括位于所述实验水槽外部的支架，设置于所述支架上的能够靠近或远离所述实验水槽的角度调节结构，以及能够连接或脱离所述角度调节结构设置的入水模型。

作为本发明的一种优选方案，所述造波机构包括靠近所述实验水槽其中一端的造波部，以及靠近所述实验水槽另一端的消波部；

所述移动轨道位于所述造波部与所述消波部之间。

作为本发明的一种优选方案，所述造波部包括位于所述实验水槽中的造波块，以及与所述造波块之间通过曲柄连杆结构连接的伺服电机，所述伺服电机通过所述曲柄连杆结构带动所述造波块进行往复直线运动。

作为本发明的一种优选方案，所述消波部为消波板，且所述消波板中朝向所述造波部的一侧的消波面与所述造波块的运动方向之间形成有夹角；

所述消波板形成为网孔板，且至少朝向所述造波部的一面形成有均匀间隔设置的盲沟。

作为本发明的一种优选方案，所述驱动结构至少包括位于所述实验水槽外部的与所述移动轨道相平行的拖曳轨道，固定安装于所述拖曳轨道两端的深度调节件，以及可移动地设置于所述拖曳轨道上的拖曳电机，且所述拖曳电机延伸连接于所述移动轨道上，并用于带动所述移动轨道至少部分沿延伸方向移动。

作为本发明的一种优选方案，所述移动轨道包括自上而下顺次设置的牵引绳和导向绳，且所述牵引绳形成为环形并环绕两端的所述深度调节件设置；

所述导向绳固定位于所述牵引绳的下方，所述拖曳模型固定连接于所述牵引绳上，且沿所述导向绳的延伸方向可移动地安装于所述导向绳上。

作为本发明的一种优选方案，位于所述拖曳轨道两端的所述深度调节件各自向下延伸位于所述实验水槽中的一端沿周向方向形成有环形滑轮，所述牵引绳环绕所述环形滑轮可滑动地设置。

作为本发明的一种优选方案，所述支架至少包括延伸方向与所述实验水槽的表面所在的平面相垂直的立柱，所述角度调节结构沿所述立柱的延伸方向可滑动地设置于所述立柱上。

作为本发明的一种优选方案，所述角度调节结构包括可滑动地连接于所述立柱上的安装块，可翻转地设置于所述安装块中远离所述立柱一端的角度调节台，可旋转地连接于所述角度调节台上的角度调节盘，固定连接于所述角度调节盘下表面上的电磁铁，以及位于所述电磁铁外部的入水导向套，所述入水模型位于所述入水导向套中且与所述电磁铁磁性连接；

所述入水导向套的下端面延伸至水面。

作为本发明的一种优选方案，所述波浪条件下的多自由度动态入水装置还包括控制机构，所述控制机构用于控制所述造波机构、所述拖曳模拟机构和所述入水模拟机构的启停和参数的调节。

本发明的实施方式具有如下优点：

本发明实施例基于支架和角度调节结构的配合设置，能够实现多自由度和不同入水速度下的入水模拟；同时，基于造波机构和拖曳模拟机构的进一步配合，实现整体的耦合，实现在入水过程中的表面波浪、内波和内孤立波等多种波浪，以及内部拖曳运动的多种入水环境的模拟，从而能够更好地实现对不同的实际环境下的模拟，更好地提供模拟实验的参考依据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施例提供的多自由度动态入水装置的结构示意图；

图2为图1中B部分的局部放大图；

图3为图1中A部分的局部放大图。

图中：

1-实验水槽；2-造波机构；3-拖曳模拟机构；4-入水模拟机构；

21-造波块；22-伺服电机；23-消波板；

31-移动轨道；32-拖曳模型；33-拖曳轨道；34-深度调节件；35-拖曳电机；36-牵引绳；37-导向绳；

41-支架；42-角度调节结构；43-立柱；44-角度调节台；45-角度调节盘；46-电磁铁；47-入水导向套。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1-图3所示，本发明提供了一种波浪条件下的多自由度动态入水装置，至少包括：实验水槽1、造波机构2、拖曳模拟机构3和入水模拟机构4。造波机构2进一步包括含有造波块21的造波部，以及含有消波板23的消波部；拖曳模拟机构3主要包含分设于两端的两个深度调节件34，位于两个深度调节件34之间的拖曳电机35、拖曳轨道33、拖曳模型32、导向绳37、牵引绳36(导向绳37和牵引绳36配合形成为位于实验水槽1中的移动轨道31)；入水模拟机构4主要包含电磁铁46、角度调节台44、角度调节盘45、入水导向套47和具有立柱43的支架41。上述造波机构2、拖曳模拟机构3和入水模拟机构4各自连接控制终端(即控制机构)，通过控制终端控制造波、拖曳和入水等实验实现。以下对上述造波机构2、拖曳模拟机构3和入水模拟机构4的具体结构和设置进行进一步的详细阐述：

造波机构2：造波机构2整体搭建在实验水槽1上，用于造波的主要结构为造波部。整个造波部的具体设置方式为通过控制终端控制伺服电机22带动内部曲柄连杆结构运转，进而带动造波块21往复直线运动，以一定频率和振幅扰动水体产生波动现象。消波板23为倾斜设置的网孔板，其上均匀铺设盲沟，用于消波。控制终端能过以通过控制伺服电机22等的方式改变造波块18的振荡频率和振幅，进而产生不同波高和周期的表面波。

拖曳模拟机构3：拖曳模拟机构3整体搭建在实验水槽1上。其中拖曳轨道33和两端分别设置的深度调节件34铺设在实验水槽1上方框架并与之刚性固定；拖曳电机35一端安装于拖曳轨道33之上，并使得拖曳电机35能够沿拖曳轨道33的延伸方向进行直线运动，拖曳电机35的另一端与牵引绳36连接，并能够带动牵引绳36随其进行从动，进而带动拖曳模型32的移动。导向绳37两端分别固定在两端的深度调节件34的下端(即一端连接于其中一个深度调节件34上，另一端连接于另一个深度调节件34上)，并使得导向绳37的两端调节至位于同一水平高度上，导向绳37具有预紧力，起导向拖曳模型32的作用，防止拖曳模型32上浮或下沉。牵引绳36形成为一封闭环，封闭环搭建在两个深度调节件34的滑轮上，从而环绕两个深度调节件34及二者之间形成的整个间隙，牵引绳36可绕滑轮无阻碍运动(即整个牵引绳36形成的封闭环能够沿周向方向绕行)。封闭环上端连接拖曳电机35，由拖曳电机35对封闭环提供环绕的牵引力，封闭环的下端连接拖曳模型32，从而使得拖曳模型32能够跟随环绕运动的封闭环进行从动。拖曳模型32一端固定在牵引绳36上，由其牵引运动，另一端滑动设置在导向绳37上，可沿绳滑动(需要说明的是，这里的拖曳模型32仅能沿导向绳37的延伸方向进行移动，而不能发生上下和侧向位置的偏移，这里可以通过在拖曳模型32上设置卡接导向绳37的导向槽的方式实现拖曳模型32仅能沿导向绳37的延伸方向移动。当然，本领域任意可以实现的方式在此均可以使用，在此不多作赘述)。当拖曳模拟机构3运行时，由控制终端控制拖曳电机35沿拖曳轨道33以一定速度运行，进而带动牵引绳36绕深度调节件34上的滑轮运动，从而带动拖曳模型32沿导向绳37以与拖曳电机35相同的速度运行。

入水模拟机构4：入水模拟机构4整体通过搭建的支架41进行支撑，主要用于模拟入水的部分为角度调节结构42。角度调节结构42安装在支架41的立柱43上，主要包括电磁铁46、角度调节盘45、角度调节台44和入水导向套47。电磁铁46安装在角度调节盘45上，角度调节台44用于控制角度调节盘45的角度，进而调节电磁铁46的入水角度。入水导向套47安装在电磁铁46外部，延伸至水面，可限制入水模型的入水方向。整个入水模拟机构4可实现不同角度，不同初始速度的入水模型的入水实验。需要说明的是，这里的角度调节台44和角度调节盘45的旋转轴之间优选为具有一定的夹角(更为优选地为二者之间的旋转轴相垂直，从而能够更好地满足多种角度的针对性模拟)。具体的实验过程中，对于无初始速度入水实验：入水实验时，通过控制终端角度调节盘45旋转至入水实验所需角度，此时电磁铁6断电，入水模型沿入水导向套47入水，实现无初始速度入水；带初始速度模型的入水实验：通过控制终端控制角度调节盘45旋转至入水实验所需角度，控制立柱43或是用于连接角度调节台44和立柱43之间的安装块沿设定速度往下运行，待达到所需要的速度范围时，对电磁铁6进行断电，入水模型沿入水导向套47入水，实现带初始速度入水。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种波浪条件下的多自由度动态入水装置，其特征在于，包括实验水槽(1)，至少部分可震荡地设置于所述实验水槽(1)中的造波机构(2)，至少部分位于所述实验水槽(1)中的拖曳模拟机构(3)，以及位于所述实验水槽(1)外部的入水模拟机构(4)；其中，

所述拖曳模拟机构(3)包括延伸位于所述实验水槽(1)中的移动轨道(31)，设置于所述移动轨道(31)上的拖曳模型(32)，以及用于带动所述拖曳模型(32)或所述移动轨道(31)移动的驱动结构；

所述入水模拟机构(4)包括位于所述实验水槽(1)外部的支架(41)，设置于所述支架(41)上的能够靠近或远离所述实验水槽(1)的角度调节结构(42)，以及能够连接或脱离所述角度调节结构(42)设置的入水模型。

2.根据权利要求1所述的一种波浪条件下的多自由度动态入水装置，其特征在于，所述造波机构(2)包括靠近所述实验水槽(1)其中一端的造波部，以及靠近所述实验水槽(1)另一端的消波部；

所述移动轨道(31)位于所述造波部与所述消波部之间。

3.根据权利要求2所述的一种波浪条件下的多自由度动态入水装置，其特征在于，所述造波部包括位于所述实验水槽(1)中的造波块(21)，以及与所述造波块(21)之间通过曲柄连杆结构连接的伺服电机(22)，所述伺服电机(22)通过所述曲柄连杆结构带动所述造波块(21)进行往复直线运动。

4.根据权利要求3所述的一种波浪条件下的多自由度动态入水装置，其特征在于，所述消波部为消波板(23)，且所述消波板(23)中朝向所述造波部的一侧的消波面与所述造波块(21)的运动方向之间形成有夹角；

所述消波板(23)形成为网孔板，且至少朝向所述造波部的一面形成有均匀间隔设置的盲沟。

5.根据权利要求1所述的一种波浪条件下的多自由度动态入水装置，其特征在于，所述驱动结构至少包括位于所述实验水槽(1)外部的与所述移动轨道(31)相平行的拖曳轨道(33)，固定安装于所述拖曳轨道(33)两端的深度调节件(34)，以及可移动地设置于所述拖曳轨道(33)上的拖曳电机(35)，且所述拖曳电机(35)延伸连接于所述移动轨道(31)上，并用于带动所述移动轨道(31)至少部分沿延伸方向移动。

6.根据权利要求5所述的一种波浪条件下的多自由度动态入水装置，其特征在于，所述移动轨道(31)包括自上而下顺次设置的牵引绳(36)和导向绳(37)，且所述牵引绳(36)形成为环形并环绕两端的所述深度调节件(34)设置；

所述导向绳(37)固定位于所述牵引绳(36)的下方，所述拖曳模型(32)固定连接于所述牵引绳(36)上，且沿所述导向绳(37)的延伸方向可移动地安装于所述导向绳(37)上。

7.根据权利要求6所述的一种波浪条件下的多自由度动态入水装置，其特征在于，位于所述拖曳轨道(33)两端的所述深度调节件(34)各自向下延伸位于所述实验水槽(1)中的一端沿周向方向形成有环形滑轮，所述牵引绳(36)环绕所述环形滑轮可滑动地设置。

8.根据权利要求1所述的一种波浪条件下的多自由度动态入水装置，其特征在于，所述支架(41)至少包括延伸方向与所述实验水槽(1)的表面所在的平面相垂直的立柱(43)，所述角度调节结构(42)沿所述立柱(43)的延伸方向可滑动地设置于所述立柱(43)上。

9.根据权利要求8所述的一种波浪条件下的多自由度动态入水装置，其特征在于，所述角度调节结构(42)包括可滑动地连接于所述立柱(43)上的安装块，可翻转地设置于所述安装块中远离所述立柱(43)一端的角度调节台(44)，可旋转地连接于所述角度调节台(44)上的角度调节盘(45)，固定连接于所述角度调节盘(45)下表面上的电磁铁(46)，以及位于所述电磁铁(46)外部的入水导向套(47)，所述入水模型位于所述入水导向套(47)中且与所述电磁铁(46)磁性连接；

所述入水导向套(47)的下端面延伸至水面。

10.根据权利要求1所述的一种波浪条件下的多自由度动态入水装置，其特征在于，所述波浪条件下的多自由度动态入水装置还包括控制机构，所述控制机构用于控制所述造波机构(2)、所述拖曳模拟机构(3)和所述入水模拟机构(4)的启停和参数的调节。

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