CN117433743B - 一种用于波浪边界层实验的波浪水槽 - Google Patents

Abstract

本发明涉及海洋工程技术领域，具体提供了一种用于波浪边界层实验的波浪水槽，造浪板滑动安装在槽体的起始端，坡度调节机构包括端座，两个端座固定在安装腔内，两个端板分别滑动安装在两个端座上，多个坡度板相互铰接，靠近两端的两个坡度板分别与两个端板铰接，驱动机构用于推动端板；表面调整机构包括弹性覆膜，盖板可拆卸安装坡度板的上表面，弹性覆膜被压紧在盖板和坡度板之间，盖板上布设有多个扰流孔，弹性覆膜能够被压入扰流孔内并且从扰流孔内向外凸起。弹性覆膜能从盖板的表面伸出，使盖板能够模拟粗糙的海床床面，使波浪水槽能够模拟雷诺数较高的波浪边界层，驱动机构推动端板和坡度板移动，使坡度板抬起对近岸海床进行模拟。

Description

一种用于波浪边界层实验的波浪水槽

技术领域

本发明涉及海洋工程技术领域，尤其涉及一种用于波浪边界层实验的波浪水槽。

背景技术

波浪边界层由于水流运动的往复性的特点，在一个波浪周期内可能存在层流、过渡流和紊流等多种流态，在小型波浪水槽中，受其设备尺度和造波能力的限制，边界层雷诺数一般较小，更适合研究层流区的边界层和过渡区的边界层，对于紊流区的边界层则主要是通过加糙的方式形成极粗糙床面，模拟床面出现沙纹、砾石和卵石等情况，以获得较大的相对粗糙度（实际床面更粗糙）。小型波浪水槽虽然可以获得与实际海浪形态类似的水质点运动形态，但与实际现场近岸风暴环境下雷诺数较高的波浪边界层相比，其动力强度相差至少1~2个量级，无法充分代表现场水流实际流动状态，限制了理论的通用性和应用至现场的延展性，而在实际海岸中，恰是风暴强浪期的水流、泥沙运动最为活跃，边界层内水流大多处于高雷诺数区，而紊流区边界层位于不同粗糙度床面，因此亟须在实验手段上有所突破，以模拟不同粗糙度的床面对波浪边界层的影响。

中国专利文献公告号为CN112411465B的一种高压波浪水槽装置，包括左右对称布置的两个土建基础、造波水槽、造波活塞、工形梁、液压杆和液压泵；造波水槽与造波活塞动密封连接，用于制造波浪水槽内部的高压条件，提升造波高度；造波活塞由刚性铁板组成，通过橡胶软连接，可实现波浪形状的模拟；液压杆底部与造波活塞连接，控制造波活塞两侧及中间部位的有规律运动；液压泵与液压杆的液压管路连接，控制液压杆的升降运动，进而控制造波活塞形成不同的规则波。该发明体积小、结构简单、可提高造波高度、模拟大型风暴潮、可用于研究波浪作用下泥沙运动、海床失稳等问题。然而，该专利依然存在一些不足：1.现有的波浪水槽槽底难以模拟不同粗糙度的海床床面。2.现有的波浪水槽槽底难以模拟不同坡度的海床床面。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：为了解决波浪水槽的槽底难以模仿真实海床床面的问题，本发明提供了一种用于波浪边界层实验的波浪水槽来解决上述问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种用于波浪边界层实验的波浪水槽，包括槽体、造浪板和气缸模组，所述造浪板滑动安装在所述槽体的起始端，所述气缸模组用于带动所述造浪板在所述槽体内往复移动，还包括表面调整机构、坡度调节机构和驱动机构，所述坡度调节机构包括两个端座、两个端板和多个坡度板，所述槽体的底部设置有安装腔，两个所述端座固定在所述安装腔的两端，两个所述端板分别滑动安装在两个端座上，多个所述坡度板相互铰接，靠近两端的两个所述坡度板分别与两个所述端板铰接，所述驱动机构用于推动两个所述端板相互靠近或相互远离；所述表面调整机构包括弹性覆膜和盖板，所述盖板可拆卸安装所述坡度板的上表面，所述弹性覆膜被压紧在所述盖板和所述坡度板之间，所述盖板上布设有多个扰流孔，所述弹性覆膜能够被压入所述扰流孔内并且从扰流孔内向外凸起。

作为优选，所述端板的上表面与所述槽体的底面平齐，两个所述端座之间还固定有滑轨，所述滑轨上安装有两个滑块，每个所述滑块上均固定有一个支撑杆，所述端板和所述坡度板的铰接处通过所述支撑杆一一对应转动连接在所述滑块上，所述滑轨的中间还固定有加高块，靠近中间的两个相邻坡度板的铰接处与所述加高块转动连接。

作为优选，所述驱动机构设置有两个，两个所述驱动机构分别安装在两个所述端座内，所述驱动机构包括电机、丝杆、螺纹套筒和推块，所述电机固定在所述端座内，所述螺纹套筒滑动安装在所述端座的侧壁上并且能够伸出所述端座，所述丝杆的一端与所述螺纹套筒螺纹连接，所述丝杆的另一端通过联轴器与所述电机的输出轴固定连接，所述螺纹套筒的端部通过所述推块与所述滑块固定连接。

作为优选，所述表面调整机构还包括进液后盖、进液管、排液管、水泵和排水阀，所述进液后盖设置有多个，所有所述进液后盖均一一对应固定在所述坡度板的背面，所述坡度板的中心开设有矩形通槽，所述弹性覆膜、坡度板和进液后盖相互贴合形成压力腔室，所述进液后盖通过所述进液管连接所述水泵，所述进液后盖通过所述排液管连接所述排水阀，所述进液管和所述排液管均与所述压力腔室连通，相邻的两个进液后盖通过所述进液管和排液管相互连通。

作为优选，所述坡度板的边缘还固定有快装卡子，所述盖板的边缘开设有避让孔，所述快装卡子能够放入所述避让孔内，所述盖板的底部靠近所述避让孔处设置有卡槽，所述快装卡子能够与所述卡槽卡合。

作为优选，所述快装卡子包括固定座，所述固定座内滑动安装有连接块，所述连接块的一端通过弹簧与所述固定座固定连接，所述连接块的另一端固定有卡棒，所述卡棒能够伸出所述固定座并且与所述盖板的卡槽卡合。

作为优选，所述固定座的上端滑动盖放有拨片，所述拨片与所述连接块固定连接。

作为优选，所述扰流孔为圆形或倒角处理的多边形结构。

作为优选，所述槽体的末端还固定有消浪坡道，所述消浪坡道的表面均匀布设有通孔，所述消浪坡道的内部竖直设置有多层网孔板。

本发明的有益效果是，设置有表面调整机构，表面调整机构的弹性覆膜能从盖板的表面伸出，使盖板能够模拟粗糙的海床床面，使波浪水槽能够模拟雷诺数较高的波浪边界层，通过驱动机构推动端板和坡度板移动，使坡度板抬起，模拟海床床面的凸起，使波浪水槽能够对近岸海床进行模拟。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明一种用于波浪边界层实验的波浪水槽的最优实施例的结构示意图；

图2是本发明一种用于波浪边界层实验的波浪水槽的俯视图；

图3是图2中A-A处的剖视图；

图4是本发明一种用于波浪边界层实验的波浪水槽的内部结构示意图；

图5是本发明一种用于波浪边界层实验的波浪水槽的滑轨的结构示意图；

图6是本发明中表面调整机构的爆炸图；

图7是本发明中快装卡子的爆炸图；

图8是本发明一种用于波浪边界层实验的波浪水槽的驱动机构的结构示意图。

附图标记：1、槽体；2、造浪板；3、气缸模组；4、表面调整机构；5、坡度调节机构；6、驱动机构；7、端座；8、端板；9、坡度板；10、安装腔；11、弹性覆膜；12、盖板；13、扰流孔；14、滑轨；15、滑块；16、支撑杆；17、加高块；18、电机；19、丝杆；20、螺纹套筒；21、推块；22、进液后盖；23、进液管；24、排液管；25、水泵；26、排水阀；27、快装卡子；28、卡槽；29、固定座；30、连接块；31、弹簧；32、卡棒；33、拨片；34、消浪坡道。

具体实施方式

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至图8所示，本发明提供了一种用于波浪边界层实验的波浪水槽的实施例，包括槽体1、造浪板2和气缸模组3，造浪板2滑动安装在槽体1的起始端，气缸模组3用于带动造浪板2在槽体1内往复移动，造浪板2移动推动水体沿槽体1内移动形成波浪，进而模拟出实际海浪环境下的波浪穿过过程，方便对波浪进行研究，造浪板2前进方向的后方还可以设置塑料海绵组成的笼型消波装置，以耗散额外的波浪能量并最大程度的减少波浪的反射，对造浪板2造浪时产生的额外波浪进行消除。

还包括表面调整机构4、坡度调节机构5和驱动机构6，坡度调节机构5包括两个端座7、两个端板8和多个坡度板9，槽体1的底部设置有安装腔10，两个端座7固定在安装腔10的两端，两个端板8分别滑动安装在两个端座7上，多个坡度板9相互铰接，靠近两端的两个坡度板9分别与两个端板8铰接，驱动机构6用于推动两个端板8相互靠近或相互远离。

当两个端板8相互靠近时，两个端板8之间的距离减小并推动两个端板8之间的坡度板9移动，由于四个坡度板9相互铰接，因此当四个坡度板9从两端向中间推动时，会使坡度板9发生倾斜形成坡面，进而模拟出凹凸不平的海床床面，现有技术中的底部水平的波浪水槽，常用于模拟以波浪水质点以水平运动为主的浅水区，然而，对于水深稍大的海域，由于忽略了波浪自由表面和垂向质点速度，导致底部水平的波浪水槽无法模拟波浪边界层波动以及行进波浪所引起的余流等物理过程，而本实施例中通过坡度板9形成的凹凸不平底部，能够根据实际需要调整底面的凸起程度，对实际凹凸不平的海床进行模拟，使波浪水槽内的波浪在行进时，能够模拟波浪自深水区向近岸传播的过程，以便研究人员对近岸波浪边界层进行研究。

端板8的上表面与槽体1的底面平齐，两个端座7之间还固定有滑轨14，滑轨14上安装有两个滑块15，每个滑块15上均固定有一个支撑杆16，端板8和坡度板9的铰接处通过支撑杆16一一对应转动连接在滑块15上，滑轨14的中间还固定有加高块17，靠近中间的两个相邻坡度板9的铰接处与加高块17转动连接。

在模拟海床坡度时，可以先通过驱动机构6带动其中一个的端板8移动，使该侧端板8到加高块17之间的距离缩短，进而推动该侧的两个相互铰接的坡度板9从铰接处向上凸起，形成一个坡面，更进一步，还可以通过驱动机构6再次带动另一端的端板8移动，使另一侧端板8到加高块17之间的距离缩短，进而推动另一侧的两个相互铰接的坡度板9从铰接处向上凸起，形成第二个坡面，以便模拟出具有多个凸起的海床床面。

表面调整机构4包括弹性覆膜11和盖板12，盖板12可拆卸安装坡度板9的上表面，弹性覆膜11被压紧在盖板12和坡度板9之间，盖板12上布设有多个扰流孔13，弹性覆膜11能够被压入扰流孔13内并且从扰流孔13内向外凸起，即盖板12与弹性覆膜11压紧后，盖板12上的扰流孔13能够被弹性覆膜11填满，使盖板12的表面各处基本平齐，保持盖板12表面的光滑。

表面调整机构4还包括进液后盖22、进液管23、排液管24、水泵25和排水阀26，进液后盖22设置有多个，所有进液后盖22均一一对应固定在坡度板9的背面，坡度板9的中心开设有矩形通槽，弹性覆膜11、坡度板9和进液后盖22相互贴合形成压力腔室，进液后盖22通过进液管23连接水泵25，进液后盖22通过排液管24连接排水阀26，进液管23和排液管24均与压力腔室连通，相邻的两个进液后盖22通过进液管23和排液管24相互连通。

表面调整机构4的工作原理是：当需要模拟不同粗糙度的海床床面时，启动水泵25，通过进液管23向进液后盖22注入液体，使压力腔室内充满高压液体，通过液压将弹性覆膜11向上顶起，使弹性覆膜11从扰流孔13处鼓起并突出盖板12的表面，在盖板12的表面形成均匀排列的半球形凸点，通过控制进液后盖22内注入液体的多少，能够对半球形凸点的凸起高度进行调整，进而改变盖板12的表面粗糙程度，而盖板12盖放在坡度板9上，因此实现了对不同海床的床面粗糙度的模拟，即注入压力腔室内的液体越多则粗糙程度越大，当需要使盖板12保持相对光滑时，打开电磁控制的排水阀26，将压力腔室内的液体排出，即可使弹性覆膜11收入扰流孔13内，保持盖板12表面的相对光滑。

扰流孔13为圆形或倒角处理的多边形结构，当扰流孔13为圆形时，能够模拟海底光滑的石粒对波浪边界层产生的影响，当需要模拟更为粗糙的海床时，通过更换具有多边形扰流孔13的盖板12，对海底不规则的礁石面进行模拟，以获得更大的边界层雷诺数，实现实际海岸近岸风暴环境下的波浪边界层模拟，而普通小型波浪水槽受造波能力的限制，其边界层雷诺数无法满足对上述风暴环境的模拟需求。

驱动机构6设置有两个，两个驱动机构6分别安装在两个端座7内，驱动机构6包括电机18、丝杆19、螺纹套筒20和推块21，电机18固定在端座7内，螺纹套筒20滑动安装在端座7的侧壁上并且能够伸出端座7，丝杆19的一端与螺纹套筒20螺纹连接，丝杆19的另一端通过联轴器与电机18的输出轴固定连接，螺纹套筒20的端部通过推块21与滑块15固定连接。

坡度板9的边缘还固定有快装卡子27，盖板12的边缘开设有避让孔，快装卡子27能够放入避让孔内，盖板12的底部靠近避让孔处设置有卡槽28，快装卡子27能够与卡槽28卡合。

快装卡子27包括固定座29，固定座29内滑动安装有连接块30，连接块30的一端通过弹簧31与固定座29固定连接，连接块30的另一端固定有卡棒32，卡棒32能够伸出固定座29并且与盖板12的卡槽28卡合，固定座29的上端滑动盖放有拨片33，拨片33与连接块30固定连接。

在更换盖板12和弹性覆膜11时，首先将拨片33向一侧拨动，使卡棒32退出卡槽28，然后将盖板12边缘向上提起即可，之后将新的弹性覆膜11覆盖在坡度板9上，再将新的盖板12放下，使固定座29进入避让槽，之后向下按动盖板12，将卡棒32压回固定座29内，此时弹簧31被压缩，当盖板12下压到位后，卡棒32正好对准至卡槽28，此时弹簧31复位推动卡棒32滑入卡槽28内即可对盖板12进行锁紧。

槽体1的末端还固定有消浪坡道34，消浪坡道34的表面均匀布设有通孔，消浪坡道34的内部竖直设置有多层网孔板，通过消浪坡道34对槽体1末端的波浪进行消除，以耗散额外的波浪能量并最大程度的减少波浪的反射。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。

Claims (8)

1.一种用于波浪边界层实验的波浪水槽，包括槽体（1）、造浪板（2）和气缸模组（3），所述造浪板（2）滑动安装在所述槽体（1）的起始端，所述气缸模组（3）用于带动所述造浪板（2）在所述槽体（1）内往复移动，其特征在于：还包括表面调整机构（4）、坡度调节机构（5）和驱动机构（6），所述坡度调节机构（5）包括两个端座（7）、两个端板（8）和多个坡度板（9），所述槽体（1）的底部设置有安装腔（10），两个所述端座（7）固定在所述安装腔（10）的两端，两个所述端板（8）分别滑动安装在两个端座（7）上，多个所述坡度板（9）相互铰接，靠近两端的两个所述坡度板（9）分别与两个所述端板（8）铰接，所述驱动机构（6）安装在所述端座（7）内，所述驱动机构（6）用于推动两个所述端板（8）相互靠近或相互远离；

所述表面调整机构（4）包括弹性覆膜（11）和盖板（12），所述盖板（12）可拆卸安装所述坡度板（9）的上表面，所述弹性覆膜（11）被压紧在所述盖板（12）和所述坡度板（9）之间，所述盖板（12）上均匀布设有多个扰流孔（13），所述弹性覆膜（11）能够被压入所述扰流孔（13）内并且从扰流孔（13）内向外凸起；

所述表面调整机构（4）还包括进液后盖（22）、进液管（23）、排液管（24）、水泵（25）和排水阀（26），所述进液后盖（22）设置有多个，所述进液后盖（22）一一对应固定在所述坡度板（9）的背面，所述坡度板（9）的中心开设有矩形通槽，所述弹性覆膜（11）、坡度板（9）和进液后盖（22）相互贴合形成压力腔室，所述进液后盖（22）通过所述进液管（23）连接所述水泵（25），所述进液后盖（22）通过所述排液管（24）连接所述排水阀（26），所述进液管（23）和所述排液管（24）均与所述压力腔室连通，相邻的两个进液后盖（22）通过所述进液管（23）和排液管（24）相互连通。

2.如权利要求1所述的一种用于波浪边界层实验的波浪水槽，其特征在于：所述端板（8）的上表面与所述槽体（1）的底面平齐，两个所述端座（7）之间还固定有滑轨（14），所述滑轨（14）上安装有两个滑块（15），每个所述滑块（15）上均固定有一个支撑杆（16），所述端板（8）和所述坡度板（9）的铰接处通过所述支撑杆（16）一一对应转动连接在所述滑块（15）上，所述滑轨（14）的中间还固定有加高块（17），靠近中间的两个相邻坡度板（9）的铰接处与所述加高块（17）转动连接。

3.如权利要求2所述的一种用于波浪边界层实验的波浪水槽，其特征在于：所述驱动机构（6）设置有两个，两个所述驱动机构（6）分别安装在两个所述端座（7）内，所述驱动机构（6）包括电机（18）、丝杆（19）、螺纹套筒（20）和推块（21），所述电机（18）固定在所述端座（7）内，所述螺纹套筒（20）滑动安装在所述端座（7）的侧壁上并且能够伸出所述端座（7），所述丝杆（19）的一端与所述螺纹套筒（20）螺纹连接，所述丝杆（19）的另一端通过联轴器与所述电机（18）的输出轴固定连接，所述螺纹套筒（20）的端部通过所述推块（21）与所述滑块（15）固定连接。

4.如权利要求1所述的一种用于波浪边界层实验的波浪水槽，其特征在于：所述坡度板（9）的边缘还固定有快装卡子（27），所述盖板（12）的边缘开设有避让孔，所述快装卡子（27）能够放入所述避让孔内，所述盖板（12）的底部靠近所述避让孔处设置有卡槽（28），所述快装卡子（27）能够与所述卡槽（28）卡合。

5.如权利要求4所述的一种用于波浪边界层实验的波浪水槽，其特征在于：所述快装卡子（27）包括固定座（29），所述固定座（29）内滑动安装有连接块（30），所述连接块（30）的一端通过弹簧（31）与所述固定座（29）固定连接，所述连接块（30）的另一端固定有卡棒（32），所述卡棒（32）能够伸出所述固定座（29）并且与所述盖板（12）的卡槽（28）卡合。

6.如权利要求5所述的一种用于波浪边界层实验的波浪水槽，其特征在于：所述固定座（29）的上端滑动盖放有拨片（33），所述拨片（33）与所述连接块（30）固定连接。

7.如权利要求1所述的一种用于波浪边界层实验的波浪水槽，其特征在于：所述扰流孔（13）为圆形或倒角处理的多边形结构。

8.如权利要求1所述的一种用于波浪边界层实验的波浪水槽，其特征在于：所述槽体（1）的末端还固定有消浪坡道（34），所述消浪坡道（34）的表面均匀布设有通孔，所述消浪坡道（34）的内部竖直设置有多层网孔板。