CN114923664A - 一种海洋动力环境模拟试验系统及试验方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及环境模拟系统技术领域，具体公开了一种海洋动力环境模拟试验系统及试验方法，该海洋动力环境模拟试验系统包括试验箱、海水侵蚀单元、气候模拟单元和力加载装置，试验箱的底部设置有仿海底结构模型，仿海底结构模型用于支撑试验件；海水侵蚀单元包括承装有海水的沉淀池和循环机构，循环机构能将沉淀池内的海水在沉淀池和试验箱内循环流动，循环机构还能控制试验箱内海水的水位和流速；气候模拟单元能够对试验件进行紫外线照射、高温照射、海风模拟和雨雾模拟中的一种或多种；力加载装置用于对试验件加载预设方向的力。通过该试验系统和试验方法可以模拟复杂的海洋气候环境下的力加载试验，进而方便人们对岛礁基础设施、海底隧道等的研究。
Description
技术领域
本发明涉及环境模拟系统技术领域，尤其涉及一种海洋动力环境模拟试验系统及试验方法。
背景技术
与传统陆域环境地下结构相比，海底隧道、岛礁地下空间等地下工程周围被海水、岩体所围合，由于海水可以无限补给且具有腐蚀性，结构渗漏与突涌水灾害频发，常会导致毁灭性的灾害。特别的，在长期海水侵蚀与动态水位变化作用下，进一步加剧了结构水灾变风险，严重威胁结构长期运营安全。因此，能否准确揭示海洋动力环境下地下工程水灾变机理对指导工程施工运营过程中的水灾防控具有重要意义。目前，由于室内环境模拟试验具有条件可控，试验周期短，效率高等优势，已被广泛应用于海洋环境结构耐久性相关研究。
但目前所采用的模拟试验设备仅能简单的模拟外界环境的变化，难以满足更为严苛的海洋动力环境模拟需求。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种海洋动力环境模拟试验系统及试验方法，以解决相关技术中目前所采用的模拟试验设备仅能简单的模拟外界环境的变化，难以满足更为严苛的海洋动力环境模拟需求的问题。
一方面，本发明提供一种海洋动力环境模拟试验系统，该海洋动力环境模拟试验系统包括：
试验箱，所述试验箱的底部设置有仿海底结构模型，所述仿海底结构模型用于支撑试验件；
海水侵蚀单元，包括承装有海水的沉淀池和循环机构，所述循环机构能将沉淀池内的海水在沉淀池和试验箱内循环流动，所述循环机构还能控制所述试验箱内所述海水的水位和流速；
气候模拟单元，所述气候模拟单元能够对试验件进行紫外线照射、高温照射、海风模拟和雨雾模拟中的一种或多种；
力加载装置，所述力加载装置用于对试验件加载预设方向的力。
作为海洋动力环境模拟试验系统的优选技术方案，所述沉淀池内依次设置有多个挡板，多个所述挡板将所述沉淀池划分为多个容纳腔，多个所述挡板沿竖直方向的高度依次降低。
作为海洋动力环境模拟试验系统的优选技术方案，所述循环机构包括第一水泵和第二水泵，所述第一水泵的进水口与所述试验箱的出水口连通，所述沉淀池与沿所述竖直方向最高的所述挡板围成的所述容纳腔与所述第一水泵的出水口连通，所述沉淀池与沿所述竖直方向最低的所述挡板围成的所述容纳腔与所述第二水泵的进水口连通，所述第二水泵的出水口与所述沉淀池的进水口连通。
作为海洋动力环境模拟试验系统的优选技术方案，所述循环机构还包括水位传感器和流速传感器，所述水位传感器和所述流速传感器均设置于所述试验箱内且分别测量所述试验箱内海水的水位和流速。
作为海洋动力环境模拟试验系统的优选技术方案，所述海洋动力环境模拟试验系统还包括多个反力支架和多个泥沙滤板，多个所述反力支架分别支撑于多个所述泥沙滤板且使多个所述泥沙滤板围设成试验腔，所述试验件设置于所述试验腔内。
作为海洋动力环境模拟试验系统的优选技术方案，所述气候模拟单元包括雨雾模拟机构，所述雨雾模拟机构包括水箱、第三水泵和喷淋板，所述喷淋板设置于所述试验箱内且位于所述试验件远离所述仿海底结构模型的一侧，所述第三水泵的入水口与所述水箱连通，所述第三水泵的出水口与所述喷淋板连通。
作为海洋动力环境模拟试验系统的优选技术方案，所述试验箱设置有两个相对的风口；
所述气候模拟单元包括海风模拟机构，所述海风模拟机构包括风机和风道，所述风道的两端分别与所述试验箱的两个风口连通，所述风口的两端分别设置成喇叭口状，所述风机设置于所述风道的其中一端。
作为海洋动力环境模拟试验系统的优选技术方案，所述气候模拟单元包括多个紫外线射灯和多个高温射灯，多个所述紫外线射灯对所述试验件进行紫外线照射，多个所述高温射灯对所述试验件进行高温照射。
作为海洋动力环境模拟试验系统的优选技术方案，还包括多个摄像头，所述摄像头用于拍摄试验件。
另一方面，本发明提供一种试验方法，包括上述任一方案中的海洋动力环境模拟试验系统，包括：
在所述沉淀池内调配所述海水；
在所述试验箱内布设所述仿海底结构模型；
在所述仿海底结构模型上布设所述试验件；
使所述试验件处于海水侵蚀环境中；
使所述试验件处于预设气候环境中；
通过所述力加载装置对试验件进行加载试验。
本发明的有益效果为：
本发明提供一种海洋动力环境模拟试验系统及试验方法，该海洋动力环境模拟试验系统包括试验箱、海水侵蚀单元、气候模拟单元和力加载装置，试验箱的底部设置有仿海底结构模型，仿海底结构模型用于支撑试验件；海水侵蚀单元包括承装有海水的沉淀池和循环机构，循环机构能将沉淀池内的海水在沉淀池和试验箱内循环流动，循环机构还能控制试验箱内海水的水位和流速；气候模拟单元能够对试验件进行紫外线照射、高温照射、海风模拟和雨雾模拟中的一种或多种；力加载装置用于对试验件加载预设方向的力。采用该系统对试验件进行试验时，岛礁基础设施、海底隧道等长期处于海洋环境中，该环境对岛礁基础设施或海底隧道等的结构及使用寿命造成严重的影响，因此对其结构的研究极其必要。首先根据礁基础设施、海底隧道等的结构制备试验件，该试验件与岛礁基础设施或海底隧道的组成成分、施工工艺等均相同。然后在沉淀池内调配所需要的海水；然后在试验箱内布设仿海底结构模型；该仿海底结构模型与真实海底结构相同。在仿海底结构模型上布设试验件；使试验件处于海水侵蚀环境中；使试验件处于预设气候环境中；通过力加载装置对试验件进行加载试验，力加载装置可以模拟道面、地下结构等承受的荷载。通过该试验系统和试验方法可以模拟复杂的海洋气候环境下的力加载试验，进而方便人们对岛礁基础设施、海底隧道等的研究。
附图说明
图1为本发明实施例中海洋动力环境模拟试验系统的结构示意图；
图2为本发明实施例中基于海洋动力环境模拟试验系统的试验方法流程图。
图中：
100、试验件；
1、试验箱；2、仿海底结构模型；
31、沉淀池；311、挡板；321、第一水泵；322、第二水泵；
41、雨雾模拟机构；411，水箱；412、第三水泵；413、喷淋板；42、海风模拟机构；421、风机；422、风道；43、紫外线射灯；44、高温射灯；
5、力加载装置；6、反力支架；7、泥沙滤板；8、摄像头。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，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装置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。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置，而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本实施例提供一种海洋动力环境模拟试验系统该海洋动力环境模拟试验系统及试验方法包括试验箱1、海水侵蚀单元、气候模拟单元和力加载装置5，试验箱1的底部设置有仿海底结构模型2，仿海底结构模型2用于支撑试验件100；海水侵蚀单元包括承装有海水的沉淀池31和循环机构，循环机构能将沉淀池31内的海水在沉淀池31和试验箱1内循环流动，循环机构还能控制试验箱1内海水的水位和流速；气候模拟单元能够对试验件100进行紫外线照射、高温照射、海风模拟和雨雾模拟中的一种或多种；力加载装置5用于对试验件100加载预设方向的力。采用该系统对试验件100进行试验时，岛礁基础设施、海底隧道等长期处于海洋环境中，该环境对岛礁基础设施或海底隧道等的结构及使用寿命造成严重的影响，因此对其结构的研究极其必要。首先根据岛礁基础设施或海底隧道等的结构制备试验件100，该试验件100与岛礁基础设施或海底隧道的组成成分、施工工艺等均相同。然后在沉淀池31内调配所需要的海水；然后在试验箱1内布设仿海底结构模型2；该仿海底结构模型2与真实海底结构相同。在仿海底结构模型2上布设试验件100；使试验件100处于海水侵蚀环境中；使试验件100处于预设气候环境中；通过力加载装置5对试验件100进行加载试验，力加载装置5可以模拟岛礁基础设施或海底隧道等承受的不同的加载。通过该试验系统和试验方法可以模拟复杂的海洋气候环境下的力加载试验，进而方便人们对海上建筑、隧道等的研究。
可选地，沉淀池31内依次设置有多个挡板311，多个挡板311将沉淀池31划分为多个容纳腔，多个挡板311沿竖直方向的高度依次降低。本实施例中，多个容纳腔的高度不通，循环机构将海水先注入高度最高的容纳腔内，海水水面逐渐升高，当到达挡板311的高度时，海水从挡板311一侧流至下一个容纳腔，依次海水最终进入高度锥底的容纳腔内，此时，循环机构将位于高度最低的容纳腔内的海水吸入试验箱1内。在此过程中，在每个容纳腔内的海水中的泥沙逐渐沉底，进而可以起到净化海水的作用。优选地，由于位于高度最高的容纳腔内的海水为刚从试验箱1抽出的海水，进而其内含有的泥沙较多，进而在该容纳腔内的泥沙也角度，进而在该容纳腔的底部设置有排污口，排污口处于常闭状态，当清理沉淀池31时，将排污口打开，通过排污口将位于该容纳腔内的泥沙清理掉。在其他实施例中，也可以在每个容纳腔的底部分别设置排污口。
可选地，循环机构包括第一水泵321和第二水泵322，第一水泵321的进水口与试验箱1的出水口连通，沉淀池31与沿竖直方向最高的挡板311围成的容纳腔与第一水泵321的出水口连通，沉淀池31与沿竖直方向最低的挡板311围成的容纳腔与第二水泵322的进水口连通，第二水泵322的出水口与沉淀池31的进水口连通。本实施例中，通过控制第一水泵321和第二水泵322各自的功率，进而可以调节试验箱1内的水位和流速。具体地，第一水泵321和第二水泵322相同，当第一水泵321和第二水泵322的输出功率相同时，试验箱1内的水位保持静止，根据第一水泵321和第二水泵322的功率大小，进而可以调整水流速度。当第一水泵321的输出功率大于第二水泵322的输出功率时，试验箱1内水位处于下降的状态，当第一水泵321的输出功率小于第二水泵322的输出功率时，试验箱1内水位处于上降的状态。通过调节试验箱1内水位和水流，进而可以模拟海洋环境。具体地，试验箱1进水口和出水口为对称布置，以确保海水中侵蚀性离子均匀分布在试样腔内。可选地，循环机构还包括水位传感器和流速传感器，水位传感器和流速传感器均设置于试验箱1内且分别测量试验箱1内海水的水位和流速。
可选地，所述海洋动力环境模拟试验系统还包括多个反力支架6和多个泥沙滤板7，多个反力支架6分别支撑于多个泥沙滤板7且使多个泥沙滤板7围设成试验腔，试验件100设置于试验腔内。本实施例中，反力支架6支撑对应的泥沙滤板7，且使泥沙滤板7与试验件100抵接。泥沙滤板7允许海水进入到试验腔内，同时可以防止试验件100上的泥沙通过泥沙滤板7漏出。
可选地，气候模拟单元包括雨雾模拟机构41，雨雾模拟机构41包括水箱411、第三水泵412和喷淋板413，喷淋板413设置于试验箱1内且位于试验件100远离仿海底结构模型2的一侧，第三水泵412的入水口与水箱411连通，第三水泵412的出水口与喷淋板413连通。本实施例中，第三水泵412将水箱411内的水抽至喷淋板413，喷淋板413可以喷出雨水或者雾气。
可选地，试验箱1设置有两个相对的风口；气候模拟单元包括海风模拟机构42，海风模拟机构42包括风机421和风道422，风道422的两端分别与试验箱1的两个风口连通，风口的两端分别设置成喇叭口状，风机421设置于风道422的其中一端。本实施例中，风道422与两个风口连通，进而形成一个循环风道422。风机421设置在风道422的一端，风机421工作时可以在试验箱1内形成循环风。具体地，风道422的两端设置成喇叭口，该设置可以实现风速的均匀分布。
作为海洋动力环境模拟试验系统的优选技术方案，所述气候模拟单元包括多个紫外线射灯43和多个高温射灯44，多个所述紫外线射灯43对所述试验件100进行紫外线照射，多个所述高温射灯44对所述试验件100进行高温照射。
可选地，还包括多个摄像头8，摄像头8用于拍摄试验件100。本实施例中，多个摄像头8沿试验件100的周向间隔分布，进而可以实时监测模型表面裂损特征。
如图2所示，本实施例还提供一种试验方法，包括上述方案中的海洋动力环境模拟试验系统，包括：
在沉淀池31内调配海水；
海水是一种非常复杂的电介质体系，其缓冲容量取决与各离子对的缔合平衡。海水中存在的主要离子对包括Ca、Mg、HCO3、CO3、HPO4等。一般的，人工海水的制作是利用配方完成的。
本步骤中，可以选择的配方包括：
配方一：NaCl 3.0g/100ml，KCL0.08g/100ml，CaCl2 0.13g/100ml，MgSO4 0.66g/100ml，NaHCO3 0.5g/100ml；
配方二：NaCl 3.0g/100ml，KCL 0.08g/100ml，CaCl2 0.13g/100ml，MgCL2 0.34g/100ml，MgSO4 0.66g/100ml，NaHCO3 0.5g/100ml。
在试验箱1内布设仿海底结构模型2；
本步骤中，根据实际模拟海底构造(构造断裂带、溶洞等)和海底岩土环境(淤泥、砂土、岩石等)，布设在试验箱1中，并注入海水使其与环境箱体底部齐平，并静置24小时确保其饱和状态。
在仿海底结构模型2上布设试验件100；
本步骤中，将反力支架6和泥沙滤板7组装成形后，按照试验件100设计方案分层布设于试样腔内。
使试验件100处于海水侵蚀环境中；
本步骤中，通过循环机构将海水注入试验箱1内，使得试验件100海水水位线以下区域完全浸没于海水之中，并静置24小时以确保其达到饱和状态。
使试验件100处于预设气候环境中；
本步骤中，根据预设的气候环境调节气候模拟单元。
通过力加载装置5对试验件100进行加载试验。
本步骤中，设定好初始环境工况后，按照实际模拟试验件100受力情况，实现海洋环境条件下的试验件100加载试验。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种海洋动力环境模拟试验系统，其特征在于，包括：
试验箱(1)，所述试验箱(1)的底部设置有仿海底结构模型(2)，所述仿海底结构模型(2)用于支撑试验件(100)；
海水侵蚀单元，包括承装有海水的沉淀池(31)和循环机构，所述循环机构能将沉淀池(31)内的海水在沉淀池(31)和试验箱(1)内循环流动，所述循环机构还能控制所述试验箱(1)内所述海水的水位和流速；
气候模拟单元，所述气候模拟单元能够对所述试验件(100)进行紫外线照射、高温照射、海风模拟和雨雾模拟中的一种或多种；
力加载装置(5)，所述力加载装置(5)用于对所述试验件(100)加载预设方向的力。
2.根据权利要求1所述的海洋动力环境模拟试验系统，其特征在于，所述沉淀池(31)内依次设置有多个挡板(311)，多个所述挡板(311)将所述沉淀池(31)划分为多个容纳腔，多个所述挡板(311)沿竖直方向的高度依次降低。
3.根据权利要求2所述的海洋动力环境模拟试验系统，其特征在于，所述循环机构包括第一水泵(321)和第二水泵(322)，所述第一水泵(321)的进水口与所述试验箱(1)的出水口连通，所述沉淀池(31)与沿所述竖直方向最高的所述挡板(311)围成的所述容纳腔与所述第一水泵(321)的出水口连通，所述沉淀池(31)与沿所述竖直方向最低的所述挡板(311)围成的所述容纳腔与所述第二水泵(322)的进水口连通，所述第二水泵(322)的出水口与所述沉淀池(31)的进水口连通。
4.根据权利要求3所述的海洋动力环境模拟试验系统，其特征在于，所述循环机构还包括水位传感器和流速传感器，所述水位传感器和所述流速传感器均设置于所述试验箱(1)内且分别测量所述试验箱(1)内海水的水位和流速。
5.根据权利要求1所述的海洋动力环境模拟试验系统，其特征在于，所述海洋动力环境模拟试验系统还包括多个反力支架(6)和多个泥沙滤板(7)，多个所述反力支架(6)分别支撑于多个所述泥沙滤板(7)且使多个所述泥沙滤板(7)围设成试验腔，所述试验件(100)设置于所述试验腔内。
6.根据权利要求1所述的海洋动力环境模拟试验系统，其特征在于，所述气候模拟单元包括雨雾模拟机构(41)，所述雨雾模拟机构(41)包括水箱(411)、第三水泵(412)和喷淋板(413)，所述喷淋板(413)设置于所述试验箱(1)内且位于所述试验件(100)远离所述仿海底结构模型(2)的一侧，所述第三水泵(412)的入水口与所述水箱(411)连通，所述第三水泵(412)的出水口与所述喷淋板(413)连通。
7.根据权利要求1所述的海洋动力环境模拟试验系统，其特征在于，所述试验箱(1)设置有两个相对的风口；
所述气候模拟单元包括海风模拟机构(42)，所述海风模拟机构(42)包括风机(421)和风道(422)，所述风道(422)的两端分别与所述试验箱(1)的两个风口连通，所述风口的两端分别设置成喇叭口状，所述风机(421)设置于所述风道(422)的其中一端。
8.根据权利要求1所述的海洋动力环境模拟试验系统，其特征在于，所述气候模拟单元包括多个紫外线射灯(43)和多个高温射灯(44)，多个所述紫外线射灯(43)对所述试验件(100)进行紫外线照射，多个所述高温射灯(44)对所述试验件(100)进行高温照射。
9.根据权利要求1所述的海洋动力环境模拟试验系统，其特征在于，还包括多个摄像头(8)，所述摄像头(8)用于拍摄所述试验件(100)。
10.一种试验方法，通过权利要求1-9任一项所述的海洋动力环境模拟试验系统进行，其特征在于，包括：
在所述沉淀池(31)内调配所述海水；
在所述试验箱(1)内布设所述仿海底结构模型(2)；
在所述仿海底结构模型(2)上布设所述试验件(100)；
使所述试验件(100)处于海水侵蚀环境中；
使所述试验件(100)处于预设气候环境中；
通过所述力加载装置(5)对试验件(100)进行加载试验。
Priority Applications (2)
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|---|---|---|---|
| CN202210580331.1A CN114923664A (zh) | 2022-05-25 | 2022-05-25 | 一种海洋动力环境模拟试验系统及试验方法 |
| US17/819,343 US20230409765A1 (en) | 2022-05-25 | 2022-08-12 | Marine dynamic environment simulation test system and test method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210580331.1A CN114923664A (zh) | 2022-05-25 | 2022-05-25 | 一种海洋动力环境模拟试验系统及试验方法 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114923664A true CN114923664A (zh) | 2022-08-19 |
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ID=82811034
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210580331.1A Pending CN114923664A (zh) | 2022-05-25 | 2022-05-25 | 一种海洋动力环境模拟试验系统及试验方法 |
Country Status (2)
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|---|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117419943A (zh) * | 2023-12-19 | 2024-01-19 | 武汉理工大学三亚科教创新园 | 一种海洋地下空间模型试验装置及方法 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117419943A (zh) * | 2023-12-19 | 2024-01-19 | 武汉理工大学三亚科教创新园 | 一种海洋地下空间模型试验装置及方法 |
| CN117419943B (zh) * | 2023-12-19 | 2024-04-05 | 武汉理工大学三亚科教创新园 | 一种海洋地下空间模型试验装置及方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US20230409765A1 (en) | 2023-12-21 |
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