CN118130043A - 环形全封闭无限区间的风生浪物理水池、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种环形全封闭无限区间的风生浪物理水池、系统及方法，属于海洋工程实验装置技术领域，包括环形封闭水道、风力发生装置、风速测量集成装置、动力装置、控制系统和实验测量系统，所述风力发生装置设置于环形封闭水道内按矩形阵列垂向布置，用于产生不同角度的定常风和特定谱形的湍流风，使得风力覆盖整个水池的空间场，扰动水面产生波浪，本发明开发的基于视频像素采用粒子滤波跟踪算法开展装置运动及变形的测量系统，可以实现传统海工领域标记点测量方法无法实现的整体及局部变形的有效评估。

Description

环形全封闭无限区间的风生浪物理水池、系统及方法

技术领域

本发明涉及一种环形全封闭无限区间的风生浪物理水池、系统及方法，属于海洋工程实验装置技术领域。

背景技术

实际海洋中的波浪大部分是由海风引起的。当海风吹过海面时，在其表面摩擦产生剪切力推动海面产生波动，一方面，微浪出现后会反作用于波面附近气流的流场，两者发生相互耦合。另外一方面，在海风的持续作用之下，微浪开始进入成长阶段，此时会出现多种新的复杂物理机制，如切流不稳定性诱发波动与气流湍流间发生能量交换，波与波之间的非线性相互作用产生新的波频成分等。因此，最终海浪的形成是海风和海水相互作用趋于动态平衡的产物，海浪所能达到的高度与风速大小、风区长度和风时长短有紧密的关系。

然而，目前海工领域的实验室生成波浪的方法全部基于物理推板造波，虽然同样可以产生各种类型的规则波和不规则波，但是其生成和演化的机理与真实海洋环境中的波浪迥然不同，这样导致其模拟的物理特性与实际情况存在一定的差异，进而可以推知采用推板造波评估海洋工程装备水动力性能的方法存在一定的缺陷。最近几年随着海洋可再生能源的开发利用，漂浮式风机逐渐成为研究的热点，开展其风浪联合作用下的水动力响应特性的水池实验时，所采用的造风系统和造浪系统完全独立，生成的风和浪之间不存在任何相关性，这与实际浮式风机的运营环境存在明显的差异。同时浮式风机有别于传统的海工结构物，其叶片刚度较小，风浪耦合作用时具有较大的变形，传统的水池测量方法无法捕捉其整体变形的情况，因此迫切需要设计一种新型风浪耦合水池及其测量系统，准确重构风与浪之间的耦合作用机制，探究真实风浪的生成演化机理及水动力特性，更好地服务于海洋工程装备耐波性和抗风性的测试。现有技术如中国专利公开号为CN106840600A，公开的一种模拟海床渗流影响下沉积物再悬浮的环形水槽装置，同样采用了环形结构，但是此类装置只针对泥沙沉降、水质监测等与水流循环运动有关的问题而做出的特定设计，目前尚未有针对海上波浪模拟设计的环形水池，更没有基于人造风场模拟海风产生波浪的风浪耦合水池，也没有针对海洋结构物弹性体运动变形的有效测量方法。因此，本发明基于现有技术存在的各种问题，提出了一种环形全封闭无限区间的风生浪物理水池，并开发了基于视频像素采用粒子滤波跟踪算法开展装置运动及变形的测量系统。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供环形全封闭无限区间的风生浪物理水池、系统及方法，解决了现有技术中出现的问题。

本发明所述的环形全封闭无限区间的风生浪物理水池，包括环形封闭水道、风力发生装置、风速测量集成装置、动力装置和控制系统，所述风力发生装置设置于环形封闭水道内按矩形阵列垂向布置，用于产生不同角度的定常风和特定谱形的湍流风，使得风力覆盖整个水池的空间场，扰动水面产生波浪，所述风速测量集成装置用于实时监测风力发生装置的状态并判断所生成的空间风场是否符合实验要求，所述动力装置连接所述风力发生装置，所述动力装置与控制系统电性连接，所述环形封闭水道中设置海工实验区域，用于同步测试海洋结构物的各个方面的性能指标。

进一步的，风力发生装置包括矩阵风机群，矩阵风机群包括若干个统一型号的风机，风机通过端点铰接方式连接固定在升降架之上，矩阵风机群的高度通过升降架进行调节。

进一步的，位于所述环形封闭水道两侧的两个半圆区域内设置有地下储水库，所述地下储水库通过地下管道构成连通器，用于存储开展实验所需的清洁水源，水池上设有水池进排水口，通过两个水池进排水口分别与环形封闭水道相连，水池进排水口处连接有水泵和阀门。

进一步的，风速测量集成装置上安装有多个风速仪，所述风速仪连接控制系统，通过控制系统调整其空间所在位置，实现风场的全方位立体监测。

进一步的，环形封闭水道的两端设有半圆型风浪转向区，风浪转向区用于平滑调整风和浪的传播方向。

进一步的，海工实验区域设有钢化玻璃底和钢化玻璃墙体。

进一步的，还包括两套滑动顶盖系统，一套位于风力发生装置所在区域，另外一套位于海工实验区域。

进一步的，滑动顶盖系统包括顶盖和电机，通过电机驱动滑动顶盖闭合使得水池成为全封闭的结构。

进一步的，环形封闭水道的整体呈椭圆形。

进一步的，测量海洋工程装备运动整体变形时采用无接触非标记方式，引入基于视频像素的粒子滤波跟踪算法进行有效捕捉。

本发明所述的环形全封闭无限区间的风生浪物理系统，包括：

水道水位调节模块，用于调节环形封闭水道水位；

风生浪循环模块，用于在水面上方模拟形成自然界的空间风场，通过分析平均风速和顺风向的湍流强度分量沿高度的分布是否与预设一致，脉动风速功率谱与目标谱是否接近，进而判断所生成的空间风场是否符合实验要求；

海工实验测试模块，采用粒子滤波跟踪算法开展装置运动及变形的测量，同步测试海洋结构物的水动力响应性能；

全封闭水池入口模块，用于实现实验过程中环形封闭水道成为全封闭的结构。

本发明所述的环形全封闭无限区间的风生浪物理测试方法，通过视频像素采用粒子滤波跟踪算法开展装置运动及变形的测量，包括以下步骤：

S1：通过摄像机实时拍摄高清图像，将其信号传输到实验测量系统并进行预处理，以像素值为特征采用高斯混合模型进行背景建模；

S2：对海工装备开展模型特征匹配分析，并利用狄利克雷分布和似然概率为像素观测值选取合适的高斯分量数目；

S3：基于像素观测值的统计参数特性实时更新参数学习率，达到自适应模态的效果，结合海工装备弹性体几何学特征，对测试阶段获取的运动目标区域进行数据分析从而提取弹性体的具体位置；

S4：锁定某一时刻装备目标后开展实时跟踪分析，利用弹性体辨识结果初始化下一时刻粒子滤波跟踪算法，并采用观测结果的后验概率和粒子传播概率的加权之和，建立重要性概率分布；

S5：依据粒子重构算法实时构建变形体每一时刻的整体轮廓图，采用高阶差分方法分析弹性体关键部分的变形幅值，通过时间一次求导和二次求导分别计算其局部的速度和加速度，结合海洋工程装备材料的应变属性，针对实验观测对象局部和整体变形的安全性进行综合评估。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明所述的环形全封闭无限区间的风生浪物理水池、系统及方法，首次采用风生浪系统模拟生成自然界中的波浪，与传统的推板造波相比，其生成和演化的物理过程更加接近真实海洋中的情况。

本发明在波浪水池中采用全封闭椭圆环形结构，与传统敞开式长方形水池相比，其风区作用长度可以不受限制，且无需解决反射波的干扰问题，实现波浪从开始生成到演化成熟的全过程物理模拟。

本发明水池中生成的风和浪具有内在的相关性，与现有水池中独立的造风和造浪系统相比，其模拟的风浪耦合作用信息更为准确，更加符合真实的海洋环境，测试海洋结构物在风浪耦合作用下的响应特性时得到的结果更加具有实际指导意义，解决了现有技术中出现的测试环境与实际情况不一致的问题。

本发明在传统的传感器和应变片测量刚性体响应的基础之上，开发了基于视频像素采用粒子滤波跟踪算法捕捉整体运动及变形的方法，首次针对海洋工程装备弹性体（如浮式风机）在风浪耦合作用下运动时的整体变形情况开展测试，有效评估其大变形时可能带来的危害，这是目前传统测量方法无法实现的功能。

附图说明

图1是本发明椭圆环形全封闭无限区间风生浪物理水池的整体布局俯视图；

图2是本发明的智能调控矩阵风机群的空间布局示意图；

图3是本发明中可调控其空间位置的风速测量集成装置的示意图；

图4是本发明中用来开展各类海工装备性能实验的测试区域的侧视图；

图5是本发明中滑动顶盖结构示意图；

图6是本发明提出的无接触式基于视频像素开展海洋结构物弹性体变形测试方法的流程简图。

图7是本发明提出的测量方法针对弹性体在简谐激励下测量的远端位移图；

图8是本发明提出的测量方法针对弹性体在不规则激励下测量的远端位移图；

图中：1、矩阵风机群；2、风速测量集成装置；3、钢化玻璃底；4、海工实验区域；5、地下储水库；6、风浪转向区；7、水池进排水口；8、滑动顶盖；9、钢化玻璃墙体；10、导线口；101、风机；102、升降架；201、风速仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明：

实施例1：

如图1所示，本发明所述的环形全封闭无限区间的风生浪物理水池，包括环形封闭水道、风力发生装置、风速测量集成装置2、动力装置、控制系统和实验测量系统，所述风力发生装置设置于环形封闭水道内按矩形阵列垂向布置，用于产生不同角度的定常风和特定谱形的湍流风，使得风力覆盖整个水池的空间场，扰动水面产生波浪，风速测量集成装置2用于实时监测风力发生装置的状态并判断所生成的空间风场是否符合实验要求，动力装置连接所述风力发生装置，动力装置与控制系统电性连接，环形封闭水道中设置海工实验区域4，用于同步测试海洋结构物的水动力性能指标。环形封闭水道的整体呈椭圆形。

本实施例风生浪系统模拟生成自然界中的波浪，与传统的推板造波相比，其生成和演化的物理过程更加接近真实海洋中的情况。在波浪水池中采用椭圆环形封闭结构，其风区作用长度可以不受限制，且无需解决反射波的干扰问题，实现波浪从开始生成到演化成熟的全过程物理模拟。

如图2所示，风力发生装置包括矩阵风机群1，矩阵风机群1包括若干个统一型号的风机101，风机101通过端点铰接方式连接固定在升降架102之上，矩阵风机群1的高度通过升降架102进行调节。

风速测量集成装置2上安装有多个风速仪201，风速仪201连接控制系统，通过控制系统调整其空间所在位置，实现风场的全方位立体监测。

环形封闭水道的两端设有半圆型风浪转向区6，风浪转向区6用于平滑调整风和浪的传播方向。

矩阵风机群1采用多个统一型号的风机101通过端点铰接方式连接固定在钢架格子之上，整体风机群的高度可通过升降架102进行调节，如图2所示。每个风机101既可以通过控制系统单独进行风速和风向的设置，也可以由中央控制系统进行统一调度。风机101通过动力系统驱动运转，所有风机按照各自接受的信号协同工作时，可在水面上方模拟形成自然界的各种风场，其造风质量可通过风速测量集成装置2来进行实时监测，判断所生成的空间风场是否符合实验要求。对于不满足要求的风区进行对应位置的风机调节。如图3所示，风速测量集成装置2上安装了多个风速仪201，该装置可以通过控制系统调整其空间所在位置，实现风场的全方位立体监测。两端的半圆型风浪转向区6可以平滑调整风和浪的方向，从而在有限区间实现了风区作用长度无限延伸的目的，可以完成风浪相互耦合作用的全生命周期过程的实验，同时克服了传统物理水池反射波的困扰。

位于环形封闭水道两侧的两个半圆区域内设置有地下储水库5，地下储水库5通过地下管道构成连通器，用于存储开展实验所需的清洁水源，水池上设有水池进排水口7，通过两个水池进排水口7分别与环形封闭水道相连，水池进排水口7处连接有水泵和阀门。增加水位时可采用水泵注入指定高度的水；降低水位时则依据排水量直接打开对应数量的阀门即可。

海工实验区域4设有钢化玻璃底3和钢化玻璃墙体9。可以同步测试各种海洋结构物的性能参数，如漂浮式风机和海洋平台等的耐波性和抗风性。如图4所示，该部分区域墙体采用标准尺寸的钢化玻璃墙体9替代水泥结构，既可以有效观测封闭空间内的波浪演化及流固耦合现象，又可以粗略估算水池内物体的相对空间距离便于快速布放实验设备和测量仪器。钢化玻璃墙体9之间的竖柱顶部留有可打开的半圆形的导线口10，便于布放测试仪器的数据线，在水道特定区域安装了钢化玻璃底3，同时其底部采用镂空结构，可以布放PIV（粒子图像测速法）试验所需的激光发射器，避免了传统PIV试验需要解决激光发射器防水的问题，同时也方便实验人员从底部进入环形水池的内圈区域。

如图5所示，本实施例还包括两套滑动顶盖系统，一套位于风力发生装置所在区域，另外一套位于海工实验区域4。

滑动顶盖系统包括滑动顶盖8和电机，通过电机驱动合上滑动顶盖8，则水池腔室成为全封闭的结构。开展试验时，通过电机驱动合上滑动顶盖8，则水池腔室成为全封闭的结构；试验结束后，可以滑动打开顶盖进行风机吊装维修或者搬运试验装备和测试仪器等。

实施例2：

本发明所述的环形全封闭无限区间的风生浪物理系统，包括：

水道水位调节模块，用于调节环形封闭水道水位；

风生浪循环模块，用于在水面上方模拟形成自然界的空间风场，通过分析平均风速和顺风向的湍流强度分量沿高度的分布是否与预设一致，脉动风速功率谱与目标谱是否接近，判断所生成的空间风场是否符合实验要求；

海工实验测试模块，采用粒子滤波跟踪算法开展装置运动及变形的测量，并同步测试分析海洋结构物的水动力响应性能；

全封闭水池入口模块，用于实现实验过程中环形封闭水道成为全封闭的结构。

在有接触式标记点等传统测量方法基础之上，本发明依据风生浪水池独有的全封闭特点设计了新的测试方法，用于测试漂浮式弹性结构物的整体及局部变形情况。

本发明开发的基于视频像素采用粒子滤波跟踪算法开展变形分析的整体流程简图如图6所示，可分为三个环节：目标辨识、对象追踪和变形评估。其具体步骤如下所述：

首先，通过场外布置的摄像机实时拍摄高清图像，将其信号传输到实验测量系统并进行预处理，以像素值为特征采用高斯混合模型进行背景建模；

其次，针对具有较大弹性的海工装备如浮式风机开展模型特征匹配分析，并利用狄利克雷分布和似然概率为像素观测值选取合适的高斯分量数目；

然后，基于像素观测值的各种统计参数特性实时更新参数学习率，达到自适应模态的效果，结合海工装备弹性体几何学特征，对测试阶段获取的运动目标区域进行数据分析从而提取弹性体的具体位置；

接着，锁定某一时刻装备目标后开展实时跟踪分析，利用弹性体辨识结果初始化下一时刻粒子滤波跟踪算法，并采用观测结果的后验概率和粒子传播概率的加权之和，建立重要性概率分布从而提升粒子辨识准确度。

最后，依据粒子重构算法实时构建变形体每一时刻的整体轮廓图，采用高阶差分方法分析弹性体关键部分的变形幅值，通过时间一次求导和二次求导分别计算其局部的速度和加速度，结合海洋工程装备材料的应变属性，针对实验观测对象局部和整体变形的安全性进行综合评估。

图7和图8比对了针对同一个弹性体采用传统方法和本发明方法测量其远端水平位移时的时程曲线。可以看出由于传统方法测量时以刚性体为基本假设，对于远端位移的估算本质上为间接方法，仅通过测量点处线位移和角位移进行其他位置运动位移的几何计算，忽略了弹性体在运动过程中的变形效果，因此其估算幅值普遍偏小。图7为一简谐激励下两种测量方法产生的差距，此时本发明方法仅在位移幅值上有较大的区别。当不规则激励作用于弹性体时，如图8所示，本发明方法的测量结果与传统方法相比，在位移的相位上也开始出现差异，大幅激励时尤为明显。因此传统测量方法将会严重偏离弹性体实际的远端位移，对结构进行安全评估会存在较大风险。

本实施例的系统准确重构风与浪之间的耦合作用机制，探究真实风浪的生成演化机理及水动力特性，实现海洋工程装备局部和整体耐波性和抗风性的性能测试，有效评估了具有较大弹性的海工装备整体变形时对安全产生的影响。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“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。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种环形全封闭无限区间的风生浪物理水池，其特征在于：包括环形封闭水道、风力发生装置、风速测量集成装置（2）、动力装置和控制系统，所述风力发生装置设置于环形封闭水道内按矩形阵列垂向布置，用于产生不同角度的定常风和特定谱形的湍流风，使得风力覆盖整个水池的空间风场，扰动水面产生波浪，所述风速测量集成装置（2）用于实时监测风力发生装置的状态并判断所生成的空间风场是否符合实验要求，所述动力装置连接风力发生装置，所述动力装置与控制系统电性连接，所述环形封闭水道中设置海工实验区域（4），用于同步测试海洋结构物的各性能指标。

2.根据权利要求1所述的环形全封闭无限区间的风生浪物理水池，其特征在于：所述的风力发生装置包括矩阵风机群（1），矩阵风机群（1）包括若干个统一型号的风机（101），风机（101）通过端点铰接方式连接固定在升降架（102）之上，矩阵风机群（1）的高度通过升降架（102）进行调节。

3.根据权利要求1所述的环形全封闭无限区间的风生浪物理水池，其特征在于：位于所述环形封闭水道两侧的两个半圆区域内设置有地下储水库（5），所述地下储水库（5）通过地下管道构成连通器，用于存储开展实验所需的清洁水源，水池上设有水池进排水口（7），通过两个水池进排水口（7）分别与环形封闭水道相连，水池进排水口（7）处连接有水泵和阀门。

4.根据权利要求1所述的环形全封闭无限区间的风生浪物理水池，其特征在于：所述的风速测量集成装置（2）上安装有多个风速仪（201），所述风速仪（201）连接控制系统，通过控制系统调整空间所在位置，实现风场的全方位立体监测。

5.根据权利要求1所述的环形全封闭无限区间的风生浪物理水池，其特征在于：所述的环形封闭水道的两端设有半圆型风浪转向区（6），风浪转向区（6）用于平滑调整风和浪的传播方向。

6.根据权利要求1所述的环形全封闭无限区间的风生浪物理水池，其特征在于：所述的海工实验区域（4）设有钢化玻璃底（3）和钢化玻璃墙体（9）。

7.根据权利要求1所述的环形全封闭无限区间的风生浪物理水池，其特征在于：还包括两套滑动顶盖系统，一套位于风力发生装置所在区域，另外一套位于海工实验区域（4）。

8.根据权利要求7所述的环形全封闭无限区间的风生浪物理水池，其特征在于：所述的滑动顶盖系统包括滑动顶盖（8）和电机，通过电机驱动滑动顶盖（8）闭合使得水池成为全封闭的结构。

9.一种环形全封闭无限区间的风生浪物理系统，基于权利要求1-8任一所述的环形全封闭无限区间的风生浪物理水池，其特征在于，所述的系统包括：

水道水位调节模块，用于调节环形封闭水道水位；

风生浪循环模块，用于在水面上方模拟形成自然界的空间风场，通过分析平均风速和顺风向的湍流强度分量沿高度的分布是否与预设一致，脉动风速功率谱与目标谱是否接近，判断所生成的空间风场是否符合实验要求；

海工实验测试模块，采用粒子滤波跟踪算法开展装置运动及变形的测量，并同步测试分析海洋结构物的水动力响应性能；

全封闭水池入口模块，用于实现实验过程中环形封闭水道成为全封闭的结构。

10.一种环形全封闭无限区间的风生浪物理测试方法，基于权利要求9所述的环形全封闭无限区间的风生浪物理系统，采用粒子滤波跟踪算法开展装置运动及变形的测量，其特征在于，包括以下步骤：

S1：通过摄像机实时拍摄高清图像，将其信号传输到实验测量系统并进行预处理，以像素值为特征采用高斯混合模型进行背景建模；

S2：对海工装备开展模型特征匹配分析，利用狄利克雷分布和似然概率为像素观测值选取高斯分量数目；

S3：基于像素观测值的统计参数特性实时更新参数学习率，达到自适应模态的效果，结合海工装备弹性体几何学特征，对测试阶段获取的运动目标区域进行数据分析从而提取弹性体的具体位置；

S4：锁定某一时刻装备目标后开展实时跟踪分析，利用弹性体辨识结果初始化下一时刻粒子滤波跟踪算法，并采用观测结果的后验概率和粒子传播概率的加权之和，建立重要性概率分布；

S5：依据粒子重构算法实时构建变形体每一时刻的整体轮廓图，采用高阶差分方法分析弹性体关键部分的变形幅值，通过时间一次求导和二次求导分别计算其局部的速度和加速度，结合海洋工程装备材料的应变属性，针对实验观测对象局部和整体变形的安全性进行综合评估。