JP3230500U - 風波流動の完全連成動力の模擬実験システム - Google Patents

Abstract

【課題】風と波と海流の完全な連成作用の高精度模擬を通じて、複雑な海洋環境における海上輸送施設と海上工事装置と海上エネルギー利用装置と海底工事構造の静的及び動的力応答分析を実現し、被検構造設計の信頼性と安全性を向上させる風波流動の完全連成動力の模擬実験システムを提供する。【解決手段】模擬実験システムは、空気動力システム１と流体力学的システム２を含む。空気動力システムは風洞構造である。流体力学的システムは水池２１と造波機２２と造流システム２３と底板２４と地形模擬構造２５を含む。空気動力システムは水池の上方に位置し、精緻な風場の模擬を実現する。造波機と造流システムは波と海流の連成作用を模擬するために水池側壁の付近に設けられる。水池の底板は、水深可変の模擬を実現するための昇降式である。取り外し可能な地形模擬構造は、複雑な海洋の地形を模擬するために底板に取り付けられる。【選択図】図１

Description

本考案は、海洋工事と沿岸工事の分野に関し、特に風波流動の完全連成動力の模擬実験システムに関するものである。

海洋工事と沿岸工事の構造物は、海風や波や海流等の負荷の連成作用を同時に受けるため、それらの構造物の設計と施工と安全な運転に非常に複雑な科学技術問題がある。模擬実施は計算ソフトウェアに依存できるが、物理モデルテストは、数値モデルパラメータの較正と数値予測の性能特性の検証、及び新しい設計概念への物理的証拠の提供に極めて重要である。

ただし、既存の実験装置は、風と波と海流の高品質な同時模擬を実現し難く、変わりやすい複雑な海洋環境が構造物に与える影響を合理的に反映することはできない。現在、海洋工事と沿岸工事の実験は、主に分断的且つ単独の模擬方法を採用し、風荷重を得るために風洞試験を上部構造で別々に実行し、下部構造の実験を水槽または水池で実行し、上部構造に曝された風荷重は、等価推力と同様の方法を採用して近似代替を行う。上記の実験では、風荷重と波荷重と海流荷重の高精度な連成模擬を実現することはできない。風荷重と波荷重と海流荷重の連成模擬を実現するために、世界最先端の海洋工学研究所は、例えば、オランダのマリンプール研究所と上海交通大学海洋工学国家重点研究所においてすべて深いプールに設置された送風機の行列を採用して風荷重を模擬する。ただし、送風機によって生成される風場は品質が単一であり、均一性が低いので、大規模で精緻化された風場の模擬はできない。同時に、送風機から発生する風がプール水域の表面に直接作用し、必然的に表面波環境に影響を与えるため、実験環境変数を定量的に制御することは困難である。

さらに、ヨーロッパの海洋環境条件が良好であるため、海洋工事及び沿岸工事の被検構造に対する風荷重の作用は、波荷重及び海流荷重の作用によりもはるかに小さく、ヨーロッパの海洋工事及び沿岸工事の被検構造の設計に対して、風荷重は決定的な要因ではないことがよくある。研究では波と海流との連成作用にも注意が払われるが、風場の模擬精度が低下する可能性がある。それどころか、中国の沿岸部では台風が頻繁に発生し、海洋環境は過酷である。重風荷重は、海洋工事及び沿岸工事の被検構造に大きな影響を与え、風荷重の模擬精度を高める必要がある。

これに基づいて、風と波と海流を高精度で同時に模擬できる完全連成動力の実験システムを提案し、特に中国の特殊な海洋環境に適した総合設計を極めて高度に必要とする海洋工事および沿岸工事のための風波流動の完全連成動力の模擬実験システムを提案するという急務に直面している。

本考案は、関連技術の技術的問題の１つを少なくともある程度解決することを目的としている。この目的のために、本考案は、風波流動の完全連成動力の模擬実験システムを提案し、空気動力システムで高品質かつ精緻な風場を模擬し、流体力学システムで複雑な海洋環境における波と海流の連成作用を模擬し、多方向の不規則波や変形波や台風波や強海流などを含む海洋の極端な流体力学的環境を正確に再現し、空気動力システムと流体力学的システムとの緊密な配合により、複雑な海洋環境でのさまざまな海洋工事及び沿岸工事の被検構造に対して風波流の連成作用を実現する。また、底板と地形模擬構造により、浅海から深海までの水深の変化や複雑な地形の模擬を実現する。したがって、風と波と海流の完全な連成作用の高精度模擬を通じて、複雑な海洋環境における海上輸送施設と海上工事装置と海上エネルギー利用装置と海底工事構造の静的及び動的力応答分析を実現し、被検構造設計の信頼性と安全性を向上させる。

上記の技術的特徴を実現するために、本考案の目的は次のように成し遂げられる。風波流動の完全連成動力の模擬実験システムは、空気動力システムを含む。空気動力システムは、風洞構造を採用し、風洞構造は側壁の全て閉じた管状の構造である。

流体力学的システムを更に含む。前記流体力学的システムは、水池を含み、水池の底部に昇降可能な底板を取り外し可能に取り付け、地形を模擬するための地形模擬構造は底板に配置され、水池の内部に造波機と造流システムを設ける。

空気動力システムと流体力学的システムは物理的分離となり、物理的分離とは、空力システムと流体力学的システムによって生成される流れ場が互いに干渉しないことである。風洞構造は水池の上方に位置する。

被検構造の上部構造は風洞構造中に位置し、被検構造の下部は水池中に位置する。

風洞構造は、定常風、乱流風、脈動風、風スペクトル、大気境界層風の１つまたは複数を模擬できる。風洞構造は水池の上方に設けられる。前記風洞構造は位置と角度を調整するために水平方向に回転できる。

水池は、規則的な形の水池と不規則な形の水池のいずれかであり、規則的な形の水池は、円形の水池、長方形の水池及び多角形の水池のいずれかである。

造波機と造流システムは、水池内の異なる高所に位置する。

造波機は、規則波、不規則波、長いピーク波、短いピーク波、変形波、または台風波の、１つまたは複数を模擬することができる。

造流システムは、一体型循環と垂直成層の造流システムである。

底板は水池の底部に位置し、底板は０ｍ−２００ｍの可変水深の模擬を実現できる。地形模擬構造は取り外し可能な地形模擬構造であり、底板に取り付けられる。地形模擬構造は、さまざまな複雑な海洋の地形を模擬する。

被検構造は、海上輸送施設と海上工事装置と海上エネルギー利用装置と海底工事構造または港湾工事中の構造及び装置である。

本考案には、次に掲げられた有益な効果がある。

本考案の風波流動の完全連成動力の模擬実験システムによれば、第一に、空気動力システムと流体力学的システムとの相互作用により、複雑な海洋環境における風場、波、海流の高精度な模擬を成し遂げる。被検構造に対する風荷重、波荷重及び海流荷重の完全な連成作用を実現し、被検構造に対する風荷重及び海流荷重風波流の連成作用を実現し、被検構造に対する波荷重及び海流荷重流の連成作用を実現する。

第二に、管状の風洞構造を採用して既存の配列式の造風システムを置き換える。これにより、風荷重のために正確なパラメータ入力を提供でき、定常風、乱流風、脈動風、風スペクトル、または大気境界層風等の風場に対して精緻な模擬を実現できる。前記空気動力システムと流体力学的システムは、物理的分離となり、風洞中の風場が被検構造物の上部構造にのみ風荷重が発生し、水池中の波環境に影響を与えないため、風荷重と波荷重と海流荷重を正確に制御し、相互干渉を回避できる。風洞構造は、水平方向に回転し、移動し、固定することができ、位置を調整することにより、複雑な海洋環境における風荷重と波荷重と海流荷重の正確な模擬を実現できる。

第三に、造波機は、能動的消波の制御を実現しながら、コンピュータ制御システムで、規則波、不規則波、長いピーク波、短いピーク波、変形波、または台風波の、１つまたは複数を生成できる。一体型循環と垂直成層の造流システムは、水深の範囲の時空で均一且つ穏やかな流れ場を形成するだけでなく、流れ場による波環境の干渉または破壊を低減することができる。同時に、垂直成層の造流は、さまざまな流速プロファイルを模擬できる。底板はコンピュータ制御システムにより可変水深の模擬を実現できる。取り外し可能な地形模擬構造は、底板に取り付けられており、さまざまな複雑な海底地形を模擬できる。したがって、風洞構造と造波機と造流システムと底板と地形模擬構造の緊密な作用により、実際の複雑な海洋の空気力学的及び流体力学的環境を再現し、海洋環境における被検構造の静的および動的力応答を高い精度で模擬し、被検構造設計の信頼性と安全性を向上させることができる。

以下のように、本考案を図面及び実施例と併せてさらに説明する。

本考案の断面の概略図である。 本考案の平面視の概略図である。 本考案の底板及び地形模擬構造の構造図である。 本考案の流体力学的システムの構造図である。 本考案の造波機の構造図である。 本考案の造流システムの構造図である。

本考案の実施例を図面と併せて以下にさらに説明する。

図１から図６に示すように、本考案に公開された風波流動の完全連成動力の模擬実験システムは、空気動力システム１及び流体力学的システム２を含み、流体力学的システム２が水池２１と造波機２２と造流システム２３と底板２４と地形模擬構造２５を含む。空気動力システム１は管状の風洞構造であり、風洞構造は水池２１の上方に設けられ、風洞構造は水平回転後に固定することができる。被検構造３の上部構造は風洞構造中に位置し、被検構造３の下部は水池２１中に位置し、風洞構造と被検構造３との接続方式は、柔軟な接続である。

理解できるように、空気動力システム１と造波機２２と造流システム２３と底板２４をパラメータ設定および操作プロセス制御のために計算機システムによって制御し、地形模擬構造２５が事前に作り出されて実験の前に底板２４の上部に設けられる。空気動力システム１と造波機２２と造流システム２３と底板２４と地形模擬構造２５との緊密な作用により、複雑な海洋環境における風と波と海流による完全連成の模擬を実現できる。空気動力システム１と造波機２２と造流システム２３と底板２４は、さまざまな検測及び測定装置を含み、風速と水位と波と流速と構造物の静的及び動的力応答の特性の即時測定を行うことができる。試験中、測定機器は、収集した試験データをデータ伝送ラインまたは無線信号で計算機システムに送信して、即時記録と表示と後続の分析及び処理を行う。

具体的には、図４に示すように、風洞構造は定常風や乱流風や脈動風や風スペクトルや大気境界層風などを含むさまざまな風場を模擬できる。風洞構造は水池の上方に設けられる。風洞構造は位置と角度を調整するために水平方向に回転できる。風洞構造と被検構造との柔軟な接続は、風洞の密封を成し遂げ、風洞構造自体により被検構造の動的力応答に与える影響を軽減する。

理解できるように、管状の風洞構造を採用して既存の配列式の造風システムを置き換えると、これにより、風荷重のために正確なパラメータ入力を提供し、風場の精緻な模擬を実現することができるだけでなく、空気動力システムと流体力学的システムとの物理的分離を達成することができる。風洞構造は水池の上方に位置する。被検構造の上部構造は風洞構造中に位置し、被検構造の下部は水池中に位置する。風洞構造と被検構造は柔軟に接続されているため、風洞構造中の風場は水池の表面に作用せずに、波の環境に影響を与えない。

具体的には、本考案の実施例における水池は、規則的な形の水池と不規則な形の水池のいずれかであり、規則的な形の水池は、円形の水池、長方形の水池、多角形の水池のいずれかである。不規則な形の水池は、特別な海洋環境条件下での波や海流の特性などのような特別な実験条件に従って変更されて実現する。注目すべき点は、本考案の実施例における水池の形状が好ましくは円形であり、造波機を水池周辺の側面領域に配置することができることである。造波機は、消波装置を必要とせずに、あらゆる面で造波を実現するように消波システムを併せ持っている。

具体的には、造波機と造流システムは水池の内側壁付近に位置し、造波機がパラメータを変えることで、規則波や不規則波や長いピーク波や短いピーク波や変形波や台風波を模擬することができる。造波機は、能動的消波システムを併せ持つ。造流システムは、世界で最も先進的な一体型循環と垂直成層の造流システムを採用している。

理解できるように、図５を参照すると、本考案の実施例における造波機は、水池の内部に複数の造波装置を配置しており、多方向の規則波／不規則波を生成することができる。同時に、造波機は、能動消波システムを併せ持つ。能動消波は、現在採用中の受動消波システムと比べて、造波機独自の制御システムによって成された消波動作であり、優れた造波品質が備わり、水池の壁、消波灘及びモデルの反射によって形成された二次反射波を排除することができる。

理解できるように、図６を参照すると、本考案の実施例における造流システムは、好ましくは水池外の循環及び垂直成層の全体造流方法であり、渦や逆流などの外乱の影響を水池外で排除できるため、実験区域内の流れ場の均一性や乱流強度等のパラメータがモデルテストの要件を満たすことを確保し、複雑な海洋工事や沿岸工事における波及び海流環境を高精度に再現する。同時に、水池中の造流システム中における複数の造水装置を互いに独立して設定し、異なる高さにおける造流装置の入力パラメータを調整することにより、異なる水深での水流速の勾配変化を模擬する。

具体的には、底板は水池の底部に位置し、０ｍ〜２００ｍの可変水深の模擬を実現できる。地形模擬構造は、取り外し可能な地形模擬構造であり、実験前に底板に取り付けられ、実験後に取り外されて付け替えられることにより、さまざまな複雑な海洋の地形を模擬する。

注目すべき点は、底板と地形模擬構造は、可変水深と複雑な海底地形の模擬を実現できるだけでなく、構造物の取付プロセスの効率と精度を、特に海洋工事における係留方式の配置精度を向上させることができる。

具体的には、風波流動の完全連成動力の模擬実験システムは、複雑な海洋環境における海上輸送施設と海上工事装置と海上エネルギー利用装置と海底工事構造中の被検構造の静的及び動的力応答分析に応用することができる。

注目すべき点は、海上輸送施設は、海上橋や海中トンネルや水中トンネルなどを含み、海上工事装置は、深海の石油・ガス採掘／開発プラットフォームや海上浮体や深海水産養殖船などを含み、海上エネルギー利用装置は、洋上風力エネルギーや波動エネルギーや潮流エネルギーや温度差エネルギー等の発電装置を含み、海底工事構造は、海底導管や海底坑口や可燃性氷採掘井などを含むことである。風波流動の完全連成動力の模擬実験システムは港湾工事に応用することもできる。

１ 空気動力システム
２ 流体力学的システム
２１ 水池
２２ 造波機
２３ 造流システム
２４ 底板
２５ 地形模擬構造
３ 被検構造

Claims (6)

1. 空気動力システム（１）および流体力学的システム（２）を含む風波流動の完全連成動力の模擬実験システムであって、
   前記空気動力システム（１）は、風洞構造を採用し、前記風洞構造は側壁の全て閉じた管状の構造であり、
   前記流体力学的システム（２）は、水池（２１）を含み、前記水池（２１）の底部に昇降可能な底板（２４）を取り外し可能に取り付け、地形を模擬するための地形模擬構造（２５）は前記底板（２４）に配置され、前記水池（２１）の内部に造波機（２２）と造流システム（２３）を設け、
   前記空気動力システム（１）と前記流体力学的システム（２）は物理的分離となり、物理的分離とは、前記空気動力システム（１）と前記流体力学的システム（２）によって生成される流れ場が互いに干渉しないことであり、前記風洞構造は前記水池（２１）の上方に位置し、
   被検構造（３）の上部構造は前記風洞構造中に位置し、被検構造（３）の下部は前記水池（２１）中に位置することを特徴とする、
   風波流動の完全連成動力の模擬実験システム。
2. 前記風洞構造は、定常風、乱流風、脈動風、風スペクトル、大気境界層風の１つまたは複数を模擬でき、前記風洞構造は前記水池の上方に設けられ、前記風洞構造は位置と角度を調整するために水平方向に回転できることを特徴とする、請求項１に記載の風波流動の完全連成動力の模擬実験システム。
3. 前記水池（２１）は、規則的な形の水池または不規則な形の水池のいずれかであり、前記規則的な形の水池は、円形の水池、長方形の水池及び多角形の水池のいずれかであることを特徴とする、請求項１に記載の風波流動の完全連成動力の模擬実験システム。
4. 前記造波機（２２）および前記造流システム（２３）は、前記水池（２１）内の異なる高さの所に位置することを特徴とする、請求項１に記載の風波流動の完全連成動力の模擬実験システム。
5. 前記底板（２４）は、前記水池（２１）の底部に位置し、前記地形模擬構造は取り外し可能な地形模擬構造であり、前記底板（２４）に取り付けられ、前記地形模擬構造はさまざまな海洋の地形を模擬することを特徴とする、請求項１に記載の風波流動の完全連成動力の模擬実験システム。
6. 前記被検構造（３）は、海上輸送施設、海上工事装置、海上エネルギー利用装置、海底工事構造または港湾工事中の構造及び装置であることを特徴とする、請求項１に記載の風波流動の完全連成動力の模擬実験システム。