CN116296258A - 一种波浪-海床相互作用模拟装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种波浪‑海床相互作用模拟装置及方法，属于近岸海洋岩土工程、沉积动力学与流体力学实验领域。装置包括水槽，固定在支架上的造波装置，数据采集传感器，下镶在水槽下部的土槽，造波装置包括电动推杆和造波板，数据采集传感器包括置于土槽中的孔隙水压力传感器、置于水槽中的波压力传感器、流速传感器与悬浮泥沙浓度传感器。与传统造波造流水槽相比，本发明提出了一种新的造波方式，并且将造波造流利用一种方式开展，大大节省了空间、提高了效率；既避免了传统造波方式的消波问题又保留了传统波浪水槽模拟波浪的效果；占用面积小，使用方便，可通过开展大量对比实验来研究波浪作用下的海床孔隙水压力响应与泥沙运动，海床失稳等问题。

Description

一种波浪-海床相互作用模拟装置及方法

技术领域

本发明涉及一种波浪-海床相互作用模拟装置及方法，用于研究波浪与海床的相互作用，属于近岸海洋岩土工程与沉积动力学领域，与流体力学实验领域。

背景技术

目前海上工程面临的主要问题是如何安全高效的开发海洋资源，研究波浪海床之间相互作用的机理具有重要的实际意义。现有的研究波浪海床之间相互作用的主要方法包括现场原位观测，数值模拟，以及室内水槽实验的方法。为了更好的模拟天然波浪作用，提高造波能力，国内外先后制造了许多大比尺波浪水槽。如目前世界上最大的波浪水槽，由交通运输部天津水运工程科学研究院于2014年建成，该水槽长达450m。然而大比尺波浪水槽虽然有较高的造波能力，但是存在实验成本较高，实验不便利等问题。因此为了方便快捷的进行实验，有必要发明一种小型波浪水槽。目前已有的小型波浪水槽，如：南京优力德科学仪器有限公司设计的“微型波浪水槽实验系统”（202221158059.X），中国矿业大学设计的“一种简易水槽实验装置”（201910141362.5），燕山大学设计的 “一种推板式微波浪水池”（202020217010.1）。这些小型水槽大多是用于造波原理性演示以及简单的水力学分析，不能应用于“波浪海床相互作用”相关的研究。

已有的波浪水槽大多采用造波装置和消波装置的组合，为了使水槽中形成稳定的波浪通常需要一定距离的造波段，同时由于室内水槽的尺寸限制，当波浪传播到水槽的末端时会发生反射，从而干扰实验效果。为了消除波浪产生的反射，在海洋工程类实验室中的波浪水槽大多采用直立式，斜坡式，组合式消波装置进行消波。这类消波装置大多有消波距离过长或尺寸过大的缺点，如：上海海洋大学设计的“一种阶梯状波浪水槽消波装置”（202020236976.X）,该装置在不同波浪条件下，调整其伸缩架宽度及高度较困难。山东科技大学设计的“一种叶轮式消波整流装置”(201821831935.4)，天津商业大学“一种用于多种波浪下的板式消波装置”（201920431033.X）该类装置由于使消波板倾斜放置在水槽末端，导致消波距离相对较长。上海交通大学设计的“一种用于波浪水槽实验的消波装置”（201920020308.0），河海大学设计的“一种双向多重消波装置”（201921086586.2）。该类装置为弧形面板与钢丝网相结合的消波装置，但铁丝网的透空率不变。若透空率较大，则导致消波区域过长，若透空率较小，则会增大波浪的反射率。河海大学设计的“一种波浪实验水槽末端反射波消除装置”（201721842473.1），哈尔滨工程大学设计的“一种多结构双向消波装置”（202210889550.8）。这类消波装置占地面积较大，不适用于于小型波浪水槽。所以传统波浪水槽的尺寸通常较大，不利于开展大量对比试验。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种波浪-海床相互作用模拟装置及方法。

一种波浪-海床相互作用模拟装置，其特征在于：包括“凹”字型水槽，其下部为横向水槽，其上方左右两端敞开，从而形成自外部通往横向水槽的两个竖向通道，其中一个为造波通道；所述横向水槽底部连通土槽，所述土槽用于填充模拟海床的沉积物以开展波浪-海床相互作用实验；所述土槽底部设计有排水口，用于实验结束后，将水排出以及冲洗土槽；所述横向水槽中部上方设有水槽盖以便于打开更换土槽内的沉积物；

所述土槽底部与四周侧壁铺设有粗砂透水层，使实验土中的水可以排出，消除土槽的边界效应，模拟天然海床；所述土槽内部埋有多个孔隙水压力传感器，用于研究不同波浪条件下沉积物中孔隙水压力的响应；所述横向水槽内部位于土槽正上方的位置放有用于观测波浪作用对水体中沉积物悬浮浓度影响的悬浮泥沙浓度传感器，横向水槽内部还设有波高仪与流速传感器；所述波高仪与流速传感器用于连续记录系统模拟的波浪参数；所述波高仪、流速传感器、悬浮泥沙浓度传感器、孔隙水压力传感器分别与数据采集装置连接；

所述造波通道内设有造波装置；所述造波装置由伺服电机、推拉杆、造波板组成。

所述造波装置，通过U形安装架固定在固定板上，固定板与门形支架相连接，独立于“凹”字型水槽之外，避免了驱动装置的震动对实验结果的影响。

所述推拉杆包括固定于伺服电机下方的外管和在外管内上下活动的内管，当伺服电机转动时通过齿轮带动丝杆，丝杆推动推拉杆的内管在外管内上下伸缩运动使内管推动造波板对水槽中的水进行挤压，从而形成向另一侧传播的模拟波浪。

所述“凹”形水槽底部还设有带有万向滚轮的支架。

所述土槽侧面开有小孔，所述孔隙水压力传感器连接线通过小孔连接到数据采集装置。

本发明的创新与优势在于：1）提出了一种在小型波浪水槽中造波的结构设计，可以同步模拟波浪对海床的两种作用：循环振荡垂向波压力与往复水平切应力，且避免了消波过程，从而避免了必须设计庞大的水槽尺寸，因而更加简易、有效地模拟波浪、海床之间的相互作用。2）提出的小型波浪水槽装置，能够更加快速，简易的变换波浪条件以及土槽中土体的性质，便于开展大量控制变量实验分析波浪导致的海床孔隙水压力响应及其对悬浮泥沙浓度的影响。

与现有波浪水槽相比，本发明的优点是：1）水槽整体尺寸较小，避免了大比尺水槽在操作上的不便，可以方便快捷的变换波浪与土体的各种参数，分析影响土体中孔隙水压力以及悬浮泥沙浓度的影响因素。2）通过水槽的“凹”形设计，活塞在水槽左侧的造波槽中往复运动，推动造波槽中的水沿“凹”型槽向右传播，避免了以往推板式造波产生的反射扰乱波浪。

附图说明

图1本发明的立体图。

图2 本发明的俯视图。

图3 造波装置及其支撑结构示意图。

图4 本发明的侧视图。

其中，1、“凹”字型水槽，2、土槽，3、伺服电机 ，4、推拉杆，5、造波板，6、水槽盖，7、波高仪，8、流速传感器，9、悬沙浓度传感器，10、孔隙水压力传感器，11、支架，12、排水口，13、U形安装架，14、固定板，15、门形支架。

实施方式

如附图1-4所示，本发明的技术构思是：首先提供了一种通过活塞式造波板在造波通道中往复运动，推动水流沿“凹型”水槽传播，模拟波浪的简易造波装置。然后，将水槽设计成“凹”字型，向水槽中注水超过“凹”字中部顶部标高。在水槽左侧设计造波通道，造波通道用于置放造波装置，在水槽中模拟波浪；所述的造波装置，其电动推杆的内管的一端与电机中的螺杆连接，另一端连接推波板，当伺服电机转动时，齿轮带动丝杆转动，丝杆推动推拉杆的内管在外套内运动，使推拉杆伸缩，推动造波板进行垂直往复运动，推动造波通道中的水向水槽右部传播并随推波板的返回而恢复，从而实现波浪循环压力与往复流速的模拟。在“凹”字型水槽的下覆设计长方形土槽，使得模拟的波压力与往复流速可以经过土床上方，进而可以同步模拟波浪对海床的两种作用：循环振荡垂向波压力与往复水平切应力。

如图1-4，本发明包括“凹”字型水槽1，长方形土槽2，造波装置、数据采集传感器与水槽支架11。造波装置可以用于波浪的模拟，而采集的数据可用来分析实验过程中各个数据之间的相互关系。

如图1所示，所述的“凹”字型水槽1由透明亚克力材料制作，可以较直观的观察和记录实验过程。

如图1所示，“凹”字型水槽1中部下镶有一个土槽2，土槽2中可填充不同粒度，含水率等土工性质的沉积物，用以模拟天然海床，且横向水槽顶部设计有水槽盖6，便于土槽2中沉积物的更换与填充，以及传感器的布置。

如图3所示，所述造波装置由伺服电机3，推拉杆4和造波板5组成，当伺服电机3转动时，齿轮带动丝杆转动，丝杆推动推拉杆4的内管在外套内运动，使推拉杆4伸缩，推动造波板5进行垂直往复运动。

如图3所示，所述造波装置通过U形安装架13固定在固定板14上，固定板14与门形支架15相连接，独立于水槽之外，避免驱动装置的震动对实验结果的影响。

如图4所示，传感器包括，波高仪7（也即波压力传感器）、流速传感器8、悬浮泥沙浓度传感器9、孔隙水压力传感器10，其中波高仪7放置于横向水槽中部，流速传感器8，悬浮泥沙浓度传感器9放置于土槽2正上方，孔隙水压力传感器10间隔5cm，垂直分布于土槽2的一定深度中。

利用本发明检测波浪作用下海床内部孔隙水压力变化规律及其对沉积物再悬浮影响的方法，其特征是包括以下步骤：

第一步：在土槽2的四周和底部铺设粗砂透水层，将沉积物填充到土槽2中，并将孔隙水压力传感器10等距离埋藏在土槽2设定深度位置，流速传感器8，悬浮泥沙传感器9固定在土槽2正上方位置，设置好各传感器采集参数，并外连接电脑，实时查看并存储所采集到的数据。

第二步：将波高仪7放置在横向水槽的中部。

第三步：在“凹”字型水槽1中注入水，使“凹”字型水槽1两侧水位高于横向水槽水位。

第四步：通过控制伺服电机3的转动使造波板5进行造波，由于“凹”字型水槽1两侧水位高于中间水位，从而造波板5的推动使横向水槽中的水向另一侧传播，模拟波浪的产生。

第五步：记录造波过程中，横向水槽中波高仪7，流速传感器8，悬沙浓度传感器9所采集到的数据以及土槽2不同深度处孔隙水压力传感器10所采集到的数据。

第六步：实验完毕，读取全部数据，分析实验过程中所采集到的波浪数据，孔隙水压力数据，悬沙浓度与流速数据之间的相互关系。

第七步：打开水槽1上部的盖子6，对土槽中的沉积物进行更换和清理，打开土槽2底部的排水口12，对土槽2中的残余沉积物进行冲洗。

Claims (6)

1.一种波浪-海床相互作用模拟装置，其特征在于：包括“凹”字型水槽（1），其下部为横向水槽，其上方左右两端敞开，从而形成自外部通往横向水槽的两个竖向通道，其中一个为造波通道；所述横向水槽底部连通土槽（2），所述土槽（2）用于填充模拟海床的沉积物以开展波浪-海床相互作用实验；所述土槽（2）底部设计有排水口（12），用于实验结束后，将水排出与冲洗土槽（2）；所述横向水槽中部上方设有水槽盖（6）以便于打开更换土槽（2）内的沉积物与安装传感器；

所述土槽（2）底部和四周侧壁均铺设有粗砂透水层，使土中水排出以消除土槽边界效应，从而模拟天然海床；

所述土槽（2）内部埋有多个孔隙水压力传感器（10），用于研究不同波浪条件下沉积物中孔隙水压力的响应；所述横向水槽内部位于土槽（2）正上方的位置放有用于观测波浪作用对水体中沉积物悬浮浓度影响的悬浮泥沙浓度传感器（9），横向水槽内部还设有波高仪（7）与流速传感器（8）；所述波高仪（7）与流速传感器（8）用于连续记录系统模拟的波浪参数；

所述波高仪（7）、流速传感器（8）、悬浮泥沙浓度传感器（9）、孔隙水压力传感器（10）分别与数据采集装置连接；

所述造波通道内设有造波装置；所述造波装置由伺服电机（3）、推拉杆（4）、造波板（5）组成。

2.如权利要求1所述的一种波浪-海床相互作用模拟装置，其特征在于：所述的造波装置，通过U形安装架（13）固定在固定板（14）上，固定板（14）与门形支架（15）相连接，独立于“凹”字型水槽（1）之外。

3.如权利要求1所述的一种波浪-海床相互作用模拟装置，其特征在于：所述推拉杆（4）包括固定于伺服电机（3）下方的外管和在外管内上下活动的内管，当伺服电机（3）转动时通过齿轮带动丝杆，丝杆推动推拉杆（4）的内管在外管内上下伸缩运动，使内管推动造波板（5）对水槽（1）中的水进行挤压，从而形成向另一侧传播的模拟波浪。

4.如权利要求1所述的一种波浪-海床相互作用模拟装置，其特征在于：所述“凹”形水槽（1）底部还设有带有万向滚轮的支架（11）。

5.如权利要求1所述的一种波浪-海床相互作用模拟装置，其特征在于：所述土槽（2）侧面开有小孔，所述孔隙水压力传感器（10）连接线通过小孔连接到数据采集装置。

6.利用权利要求1所述装置检测波浪作用下海床内部孔隙水压力变化规律及其对沉积物再悬浮影响的方法，其特征是包括以下步骤：

第一步：在土槽（2）的底部与四周侧壁铺设粗砂透水层，将沉积物填充到土槽（2）中，并将孔隙水压力传感器（10）等距离埋藏在土槽（2）设定深度位置，流速传感器（8）、悬浮泥沙传感器（9）固定在土槽（2）正上方位置，设置好各传感器采集参数，并外连接电脑，实时查看并存储所采集到的数据；

第二步：将波高仪（7）放置在横向水槽的中部；

第三步：在“凹”字型水槽（1）中注入水，使“凹”字型水槽（1）两侧水位高于横向水槽水位；

第四步：通过控制伺服电机（3）的转动使造波板（5）进行造波，由于“凹”字型水槽（1）两侧水位高于中间水位，从而造波板（5）的推动使横向水槽中的水向另一侧传播，模拟波浪的产生；

第五步：记录造波过程中，横向水槽中波高仪（7），流速传感器（8），悬沙浓度传感器（9）所采集到的数据以及土槽（2）不同深度处孔隙水压力传感器（10）所采集到的数据。

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