NL8100164A - Drijver voor het meten van golfhellingen. - Google Patents

Description

4 ii.//u. 1/ ι; .ί · - i - . «

Drijver voor het meten van golf he Hingen.

De uitvinding heeft betrekking op een drijver voor het meten van golfhellingen, bestaande uit een in hoofdzaak platte in hoofdzaak cirkelvormige schijf. In verband met het stromingsgedrag (het introduceren van turbulenties in 5 de grenslaag) kan het in bepaalde gevallen yoordelig zijn de omtrek van de schijf uit tji voeren als veelvlalc of op de zijwand van de schijf omhoog lopende ribbels aan te brengen (z.g. tripdraden).

φ Met een dergelijke drijver kan men niet alleen de 10 vertikale verplaatsing meten maar eveneens de helling van het wateroppervlak en de richting daarvan. Met behulp van correlatieberekeningen is uit de gevonden meetgrootheden dan de golfrichting te bepalen.

Een eerste vereiste, waaraan een dergelijke drijver 15 moet voldoen, is dat hij betrekkelijk weinig gevoelig is voor'stoormomenten, zoals door de ankerlijn en windkrachten, dat wil zeggen dat de drijver een grote stijfheid tegen kantelen moet bezitten.

Onder stijfheid wordt hier verstaan het',moment per ra-20 diaal hoekuitwijking van een drijver, die vfij in rustend water drijft.

Daartoe heeft de drijver bij voorkeur een grote middellijn en. bijgevolg,ter beperking van,het totale gewacht, een geringe diepgang.

25 De stijfheid van een dergelijke cilindrische schijf met een rechte buitenmantel is evenredig met R^, wanneer R de straal in het doorsnijdingsvlak met het water is. Men kan bijgevolg door R groot te kiezen het zeer goed volgen van de drijver van de golfhellingen bereiken.

50 De waarde van R wordt evenwel begrensd doordat de afftio-·.

tingen van de boei'klein moeten blijven in vergelijking met de lengte van de golven omdat wanneer de middellijn van de boei vergelijkbaar wordt met de golflengte zowel de vertikale 8100164 t- -2- ν.

bewegingen als de hellingen van de boei gaan afwijken van de vertikale beweging en hellingen van het wateroppervlak midden onder de boei.

Een praktisch compromis wordt gevormd door een middel-5 lijn van 2 tot 2,5J. Bij een totaalgewicht van 400-600 kg levert dit een diepgang van 10 tot 15 cm.

Afgezien van de genoemde stoormomenten, blijken ook verschillen in helling tussen de drijver en het wateroppervlak te kunnen ontstaan door een verschil-snelheid tussen 10 de drijver en het omringende water.

Wanneer een cilinder-vormige drijver met vertikale symmetrie-as gesleept wordt over het water met een snelheid v zal de drijver, afhankelijk’ van de snelheid, voorover kantelen, hetgeen wil zeggen dat hij aan de aanstroomzijde φ 15 meer naar beneden gaat dan aan de afstroomzijde.

De hoekafwijking ten gevolge van dit effekt zal verder de domphoek worden genoemd. Deze domphoek werd aan een model gemeten met een middellijn D = 0,2 m. De hoek werd als funktie van het getal van Froude = v/-J gD' gemeten en gaf de volgende 20 resultaten:

Fr Domphoek graden 0,14 0,3 0,29 -2,5 0,36 5,7 25 0,43 7,5

Door dit effekt treedt, bijvoorbeeld bij constante horizontale snelheid een constante hoekafwijking op. Dit is op zich-& zelf geen belemmering om de golfhoogte en richting te bepalen, omdat bij verwerking van de meetgegevens deze constante term 30 gemakkelijk uitgefilterd kan worden. '··

Wanneer er evenwel een golfbeweging is heeft men een met de frequentie van de golfbeweging overeenkomende variatie van de horizontale waterbeweging. Er ontstaat dan, doordat de drijver vanwege de altijd aanwezige ankerstijlheid deze 35 beweging niet geheel kan volgen, een verschil-snelheid tussen de drijver en omgevend water met een frequentie gelijk aan die van de golven. Onder ankerstijfheid wordt de door do ankerlijn op de drijver uitgeoefende horizontale kracht per horizontale verplaatsing van de drijver over een meter ten opzichte van het 40 verankeringspunt verstaan. De door deze variabel e verschil snel heid ontstane hoekafwijking kan niet worden 8 1 0 0 1 6 4 t V * -3- weggefilterd. Wanneer bovendien, zoals veelal optreedt, de richting van de horizontale variatie van de waterbeweging niet gelijk is aan de richting van de continue waterbeweging (de richting van de golven in vergelijking met bijvoorbeeld 5 de richting van een stroming) kunnen de afwijkingen in helling, die de drijver ondergaat met de frequentie van de golfbeweging tofc foute resultaten leiden bij de bepaling van de richting van de golven. Hierbij is het van belang op te merken, dat in het hoogfrequente gedeelte van het golf-spec-10 trum van een vrij wateroppervlak de oppervlaktehellingen meetal niet meer dan 15° bedragen, terwijl in het laagfre-quente gedeelte, dus voor de lange golven, veel geringere hellingen voorkomen. Bij bijvoorbeeld een golfhoogte van 5 meter en een periode van 20 seconden heeft men een maximale 15 golflielling van slechts 1,5°.

Φ Vergelijking van deze golfheHingen met de gemeten hoekafwijkingen als funktie van de (verschil)snelheden toont · aan dat reeds bij kleine modulatie in aanstroomsnelheid een ernstige verstoring van de hellingsmeting optreedt.

20 Be uitvinding beoogt de domphoek van de drijver ten gevolge van de verschil-snelheid tussen drijver en omringend water te compenseren. Bienovereenkomstig wordt er volgens de uitvinding in voorzien,tdat aan de onderzijde van de schijf een uitstulping is aangebracht, die concentrisch met 25 de genoemde schijf is.

Beze uitstulping geeft op zichzelf, door de drukver-hoging aan de aanstroomzijde en de drukverlaging aan de ^ afstroomzijde een moment, dat in de richting van de domphoek werkt. Bat op verrassende-wijze toch een de domphoek ver-50 kleinend (of zelfs compenserend) effekt optreedt komt, doordat de aan de aanstroomzijde veroorzaakte drukverhoging ook op de onderzijde van de schijf werkt, evenals de aan de afstroomzijde optredende drukverlaging.

Be drukverhoging en -verlaging veroorzaakt derhalve 55 twee momenten: via de uitstulping ontstaat een moment dat de domphoek vergroot en via de onderzijde van de schijf ontstaat een hieraan tegengesteld moment.

Voor relatief kleine uitstulpingslengte is het laatst genoemde moment het grootst zodat het totaalmoment de domphoek 40 verkleint.

> 8100164 : * .......... 'h-..............'· ........-

Bij toenemende uitstulpihgslengte wordt het totaalmöment eerst groter, bereikt een maximum, neemt dan weer af en wordt tenslotte voor relatief grote lengten negatief.

Door een juiste keuze van de lengte van de uitstulping 5 kan, afhankelijk van vorm en breedte, een compensatiemoment worden verkregen dat de domphoek volledig compenseert.

Ondanks het feit dat de te compenseren domphoek en het door de uitstulping veroorzaakte compensatiemoment een enigszins verschillend verloop als funktie van de snel-heid 10 hebben, blijkt uit metingen aan een model met een diameter van 2 meter dat voor Proude getallen van 0 tot 0,5 een voor de praktijk ruim voldoende compensatie mogelijk is

Daar de aanstroomrichting niet van te voren bekend is en de schijf rotatie-symmetrisch is, is de uitstulping bij 15 voorkeur ook rotatie-eymmetrisch en om praktische redenen © _ cilindrisch. _ __ _ ______..... ... _.

In. verband met het stromingsgedrag (het introduceren van turbulenties in de grenslaag) kan het, net als bij de schijf zelf, van voordeel zijn dat de omhoog lopende wand 20 van de uitstulping bestaat uit een veelvlak of voorzien is van omhoog lopende ribbels (bijvoorbeeld zogenaamde trip-draden).

i

Het is echter ook mogelijk om de uitstulping te laten bestaan uit een gedeelte van een bol of een al of niet 25 afgeknotte kegel.

Een effekt van hetzelfde type als met de uitvinding verkregen wordt, is ook bereikbaar, door de rand van de ©schijf een helling te geven, met de middellijn van de beneden-zijde van de schijf kleiner dan die van de bovenzijde.

30 Dit heeft evenwel aanmerkelijke nadelen, omdat voor een volledige compensatie van de domphoek een hoek van he beschrijvende van de buitenmantel van .de kegel met de horizontaal nodig is van 30 a 40°.

Omdat de drijver niet door water overspoeld mag worden 35 moet de schijf een bepaalde hoogte boven de rustende waterspiegel hebben, die voor een vrij drijvende boei inhoudt, dat deze minstens 3,0 cm boven water moet uitsteken. In do eerste plaats moet namelijk de boei over een afstand boven 8100 16 4 a , ___ -5- * ' * het water uitsteken, die gelijk is aan de zogenaamde snel-heidshoogte h = v /2g, hetgeen bij 2 meter per seconde ongeveer 20 cm is. Verder moet een zekere marge aanwezig zijn.

5 Daardoor is de middellijn van de boei ter plaatse van de waterlijn, welke bepalend' is voor de stijfheid, aanmerkelijk kleiner dan de grootste middellijn van de boei. Dit betekent echter, dat de stijfheid van de boei eveneens aanmerkelijk kleiner wordt. Bij een drijver met een grootste 10 straal van 1 meter en een hoek van de buitenmantel met de horizontaal van 30° wordt de straal ter hoogte van de waterlijn 1-0,3/tg 30 = 0,52.

Omdat de stijfheid evenredig is met de 4e macht van deze straal bedraagt deze dan nog slechts ongeveer 0,073 van de 15 stijfheid van een boei met dezelfde grootste middellijn en ** een vertikale buitenrand.

Goede resultaten kunnen evenwel verkregen worden, door de uitstulping volgens de uitvinding te combineren met een afsehuining van de buitenrand van de schijf, waarbij de 20 aanbrenging van de uitstulping de mogelijkheid geeft de buitenmantel een betrekkelijk grote hoek met de horizontaal te laten maken.

Een drijver met een jioek met de horizontaal van de 'buitenmantel van 60°, een middellijn van 2 meter, een uit-25 stulping in de vorm van een cilinder met een lengte van 30 cm en een middellijn van 68 cm gaf bij sleepproeven tot Eroude =0,5 (overeenkomend met v = 2 m/sec) domphoeken van ^ minder dan 0,5° waarbij deze hoek bij afnemende snelheid zeer snel naar 0 ging. Vergelijking met de eerder'gegeven 30 tabel toont aan, dat de uitvinding de door het.sleepeffekt optredende domphoeken aanmerkelijk verlaagt.

Een verder voordeel van de uitvinding is, dat de uitstulping een goede warmteuitwisseling met het water heeft.

Dit is van groot belang, omdat de vrij algemeen gebruikte 35 opnemers, bijvoorbeeld heave-pitch-roll-sensoren, Hippy-40 of Hippy-120 een stabilisatiesysteem bevatten, waarbij gebruik gemaakt wordt van een glycerine-watermengael» dat bij temperaturen beneden -5°C geheel of gedeeltelijk door uitvriezen separeert, waardoor het systeem onbruikbaar 40 wordt. Door een goed thermisch contact met zeewater, hetgeen 8100164 > * · • -6- ► mogelijk is door een dergelijke opnemer in de uitstulping . volgens de uitvinding.aan te brengen, blijft het mogelijk dergelijke sensoren in gebieden met zeer lage luchttemperaturen te gebruiken, 5 Naast de principiële verbetering, namelijk een grote stijfheid bij kleine totaal afmeting (in vergelijking met alleen afschuining) heeft de uitvinding nog het voordeel dat d e^u it stulp ing een oplossing· geef t voor de extreme dimensie-verhoudingen waartoe diverse eisen leiden.

10 Het totaalgewicht van de instrumenten en batterijen is betrekkelijk gering, zodat de diepgang van de drijver ook betrekkelijk gering is. Een praktische waarde is bij een middellijn van +2 meter een diepgang van 10-15 cm (overeenkomend met een totaalgewicht van 314-470 kg).

15 Voor het correct volgen van de golfhelling is het noodle zakelijk, dat het zwaartepunt van de lading en de drijver samen gelijk is aan het zwaartepunt van het verplaatste water. Dit betekent, dat in eend rijver, zonder uitstulping het instrumentarium en bijvoorbeeld de voeding daarvoor in 20 een zeer lage ruimte (10 tot 15 cm)'"moet'worden opgesteld.

Lukt dit niet dan kan dit tot de eis van — ballast van hoog soortelijk gewicht dicht bij de bodem van de i ruimte leiden, hetgeen onpraktisch en ongewenst is.

Door de uitstulping neemt de diepte van het centrale 25 gedeelte van de drijver toe, zodat hier een ruimte ontstaat zonder extreme dimensieverhoudingen.

In het eerder genoemde voorbeeld van een uitstulping ^ van 30 cm wordt de te-gebruiken ruimte ongeveer 45 cm hoog ^ wat driemaal meer is dan de genoemde 15 cm. Hierdoor is het 30 mogelijk de gehele lading instrumenten met· batterijen onder te brengen in een centrale cilinder met een middellijn van 68 cm en een hoogte van .40 a 45 cm. Zodoende wordt een boei verkregen, die uit een centrale cilinder bestaat, waar omheen een kraag is aangebracht welke alleen als funktie heeft het 35 drijfvermogen en de stijfheid te leveren. Deze kraag kan worden gevuld of bestaan uit een stof met klein soortelijk gewicht,.bijvoorbeeld kunststofschuim met gesloten cellen.

De voordelen hiervan zijn: - De kraag kan na bijvoorbeeld een aanvaring niet zinken.

‘ 40 - De kraag fungeert als·bufferzone bij botsingen met schepen.

810. o 16 4 -7- - De boei kan verzonden worden in gedemonteerde toestand, bijvoorbeeld een cilinder met 4 kraagsegmenten, zonder dat onderling elektrische verbindingen met waterdichte pluggen behoeven te worden gebruikt.

5 - Voor calibratie en service kan worden volstaan met het alleen versturen van de cilinder.

Een laatste voordeel van de uitstulping volgens de uitvinding is, dat het zwaartepunt Z van het verplaatste water en van de drijver met lading samen kunnen vallen in het midden 10 van het benedenoppervlak van de schijf. Daar het aangrijpingspunt van de ankerlijn in dit zwaartepunt moét aangrijpen is een constructie mogelijk, waarbij de bevestigingspunten van de ankerlijnaansluiting in he’t benedenvlak van de schijf liggen, hetgeen constructief eenvoudig is. φ 15 Zonder de uitstulpingscilinder zou het zwaartepunt op ongeveer de halve diepgang hebben gelegen en zouden de bevestigingspunten hetzij aan de buitenzijde van de boei, hetzij, met een enkelvoudig verbindingspunt, in een midden-uitsparing ter hoogte van de halve diepgang moeten worden 20 aangebracht. In het eerste geval ontstaat een grote en kwetsbare constructie, terwijl in het tweede geval de toch al ongemakkelijk lage instrumentenruimte onderbroken wordt door de middenuitsparing.1

De verlaging van het zwaartepunt en ankeraangrijppunt 25 heeft nog als voordeel dat beide punten, wanneer de schijf onderste boven drijft, heger komen te liggen.

In de praktijk is namelijk gebleken dat deze sahijf-® vormige drijvers bij ruwe zee af en toe kapseizen. In deze positie mag de positie van de drijver niet stabiel zijn, hij 30 moet automatisch terugkantelen. Hiertoe kan aan de bovenzijde (in normale positie van de drijver) een bijvoorbeeld cilindervormige hulpdrijver worden aangebracht. De symmetrie-as van deze cilinder staat vertikaal. Deze hulpdrijver moet in gekapseisde toestand het zwaartepunt van de boei zo ver 35 boven het wateroppervlak, waarin ongeveer de kantellijn ligt, brengen dat de boei automatisch terugkantelt. Hoe hoger het zwaartepunt in deze toestand ligt hoe kleiner de hulpdrijver kan zijn. Op deze hulpdrijver, welke in normale stand van de boei boven het water uitsteekt, zullen windkrachten aan-40 grijpen en daardoor een· kantelmoment uitoefenen.

81 0 0 1 6 4 * * . * -8-

Het is nu, door hetzelfde principe van'de uitvinding toe te passen als bij de uitstulping onder water, mogelijk dit door de wind op de hulpdrijver uitgeoefende moment en zelfs een eventueel door de windkracht op de hele drijver 5 uitgeoefend kantelmoment te verkleinen of zelfs te compenseren, door er volgens een nadere uitwerking van de uitvinding in te voorzien, dat op het bovenvlak van de drijver een centraal gelegen as-symmetrische hulpdrijver is aangebracht, die bij zijn aanrakingsvlak met de schijf een middellijn 10 heeft, die kleiner is dan die van het bovenoppervlak van de schijf. .

Door de diamóer van de hulpdrijver kleiner te maken dan· die van de bovenzijde van de \>oei ontstaan namelijk weer, ^ ' zoals bij de uitstulping onder water twee tegengestelde 15 momenten. Door een juiste dimensionering kan weer worden verkregen dat het. totaal moment gelijk doch tegengesteld wordt aan het door de windkracht uitgeoefende moment op de resterende delen van de boei die aan de wind zijn blootgesteld onder andere de antenne en de oplopende wand van het 20 drijvergedeelte boven water.

-De invloed van een uitstulping van een bepaalde middellijn neemt bij verlenging1toe, omdat bij toenemende lengte de drukvelden op het ondervlak van de drijver groter worden. Wanneer echter de afmetingen van de drukvelden vergelijkbaar 25 worden met die van de drijver zal bij verdergaande verlenging het moment op de uitstulping meer toenemen dan het moment op ^ het ondervlak van de schijf. Daar beide momenten tegengesteld aan elkaar zijn en voor kleine uitstulpingslengte het moment op de schijf wint, zal eers.t, uitgaande van lengte nul, bij 30 toenemende uitstulpingslengte het compensatiemoment’groeien om via een maximum weer af te nemen tot 0 en bij doorgaande verlenging negatief worden. Voor een bepaalde compensatie-werking heeft men bijgevolg bij een bepaalde schijf en een bepaalde middellijn van de uitstulping twee lengten, waar-35 mede de gewenste compensatiewerking verkregen wordt.

Door deze ruiïne aanpassingsmogelijkheid zijn de middellijn van de uitstulping en de diepte ervan, mits deskundig gekozen, binnen ruime gebieden, variabel. Slechts is van · belang, dat de uitstulping een voldoende middellijn heeft 40 om over een voldoend oppervlak van de benedenschijf een 8 7 0 0 i 6 4 • «v jr -9- » boven- en onderdruk op te wekken, zodat de middellijn van de uit'stulping niet extreem klein (^.0,2 x 21ï) kan zijn (dan is het oppervlak van de stuwdruk te klein omdat het te smal is) en evenmin dicht bij de middellijn van de schijf kan liggen 5 (>0,8 x 2fi), omdat dan het vlak waarop de stuwdruk kan werken te gering is omdat het drukveld over een te korte afstand op de schijf werkt.

Het is evenwel door deze omstandigheden mogelijk aan de praktische dimensioneringswensen van de instrumentatieruimte 10 binnen ruime grenzen te kunnen voldoen.

De uitvinding wordt in het volgende nader toegelicht aan de hand van de tekening, waarin fig. 1 schematisch in perspectief een drijver volgens de uitvinding toont; en Μ,» 15 fig. 2 een zijaanzicht van een verdere uitvoeringsvorm toont.

In fig. 1 is met 1 een schijf aangeduid met een vlak bovenvlak,' een afgeknot kegelvormig naar binnen lopende rand en een vlak benedenvlak. De schijf bestaat uit een 20 viertal segmenten, die langs de verbindingslijnen 2 met elkaar verbonden zijn, welke segmenten elk in het midden een cilinder-seetorvormige uitsparing hebben, waarin een cilinder 3 steekt. Deze cilinder kan doorlopen tot het bovenvlak van de schijf 1. Het zwaartepunt van de schijf met 25 de cilinder en de inhoud daarvan ligt in het punt Z, dat wil zeggen in het benedenvlak 4- van de schijf 1. In dit zelfde punt Z ligt het zwaartepunt van het door de drijver ^ verdrongen water. Aan dit benedenvlak is een vfertal ket tingen 5 bevestigd, die aangrijpen in punten P, die op 50 dezelfde afstand van het middelpunt Z van-.-het benedenvlak van de schijf 1 op onderling gelijke afstanden zijn aangebracht.

De kettingen 5 zijn even lang en aan hun benedeneinden is een kruis 6 bevestigd, waarbij de bevestigingspunten 7 35 de hoekpunten van een vierkant vormen, dat congruent is met het vierkant door de punten P. In het midden van het kruis 6 is bij 8 een ankelijn 9 bevestigd.

Met deze constructie wordt bereikt, dat het aangrijpingspunt van de door de ankerlijn uitgeoefende krachten·in 40 het punt Z valt.

8100164 u- ·» "·' -10-ρ*

De sectoren, waaruit de schijf 1 ia opgebouwd kunnen van schuimkunststof met gesloten celstructuur "bestaan.

De cilinder 3 vormt een zelfstandig instrumentatiehuis, dat aan zijn "bovenzijde een (niet getekende) antenne en 5 hulpdrijver kan dragen·.

Pig. 2 toont in aanzicht een uitvoeringsvorm, waarbij een hulpdrijver 10, de waterlijn 11 en de antenne 12 zijn aangegeven.

ËSk

V

H

8100164 'nu, u i

Claims (11)

1. Drijver voor het meten van golfhellingen, bestaande uit een platte in hoofdzaak cirkelvormige schijf, me b hfit kenmerk, dat aan de onderzijde van de schijf een uitstulping ia aangebracht, die concentrisch met de genoemde schijf is.

2. Drijver volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de uitstulpingas-symmetrisch is.

3. Drijver volgens conclusie 2, met het kenmerk, .dat de uitstulping cilindrisch is.

4. Drijver volgens conclusie 2, met het, kenmerk, dat 10 de uitstulping afgeknot kegelvormig is met de kleine middellijn aan de benedenzijde.

5. Drijver volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de uitstulping de vorm van een deel van een bol heeft.

6. Drijver volgens één. of meer van de voorafgaande 15 conclusies, met het kenmerk, dat de middellijn van de uitstulping ter plaatse van zijn aanraking met het benedenvlak van de schijf tussen 0,2 en 0,8 van de. middellijn van het genoemde benedenvlak bedraagt.

7. Drijver volgens' één of meer van de voorafgaande 20 conclusies, met het kenmerk, dat de buitenzijde van de schijf ter hoogte van de waterlijn vertikaal is. λ

8. Drijver volgens één of meer van de conclusies 1-6, met het kenmerk, dat de buitenzijde van de schijf ter hoogte van de waterlijn helt, waarbij van beneden naar boven de 25 afstand tot het middelpunt van de schijf toeneemt.

9. Drijver volgens één of meer van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de schijf massief is van een materiaal met een soortelijk gewicht van minder dan 1, bijvoorbeeld een schuimstof, en dat de uitstulping een 30 gesloten vat is met in zijn inwendige meetapparatuur, waarbij een antenne vanuit het vat door de schijf naar boven steekt.

10. Drijver volgens één of meer van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat de schijf uit een aantal ,e met elkaar verbonden vaste stukken bestaat. 35

11. Drijver volgens oooen of meer van de voorafgaande conclusies, met het kenmerk, dat op het bovenvlak van de schijf een hulpdrijver is aangebracht, die concentrisch met de 810 0-164