專利名稱：并流式深水造流系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種船舶與海洋工程領(lǐng)域的設(shè)備及方法，具體的說，是涉及一種并流式深水造流系統(tǒng)及方法。
背景技術(shù)：
隨著世界能源消耗的不斷增長，以及陸上和淺海石油天然氣開發(fā)的逐漸飽和，人們將油氣開發(fā)的領(lǐng)域拓展到深海。雖然科技的發(fā)展和海洋工程的進步使得人類在深海海洋工程的開發(fā)中不斷取得進步，但深海的各種復雜海洋環(huán)境仍給海洋工程結(jié)構(gòu)物的生產(chǎn)和生存帶來極大困難，尤其是深水流在不同深度上有著不同的流速，是深海海洋工程結(jié)構(gòu)物的設(shè)計建造中的主要困難之一。為此，需要在海洋工程模型試驗中實現(xiàn)對深水流的模擬。即在水池試驗中，模擬大深度的，且流速可以隨深度不斷變化的流。同時，在某些極端環(huán)境下，需要模擬上升流或下降流，即水流在水池中不僅有平面運動，還有垂向上的運動。這種流的模擬需要與以往完全不同的造流系統(tǒng)與造流方法。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，季春群等人發(fā)表在《中國海洋平臺》1996年04期191-193頁上的“海洋工程環(huán)境條件模擬”一文中，介紹了上海交通大學現(xiàn)有海洋工程水池的造流系統(tǒng)與方法，該造流方法可以制造空間上流速均勻的淺水流流場，但在制造表面流速很高的表面流或剖面變化的剖面深水流時，需要借助臨時架設(shè)的局部造流系統(tǒng)輔助才能完成。深水海洋工程模型試驗中的剖面流模擬根據(jù)試驗的要求集中在淺剖面大流速和深剖面均勻流速兩個極端情況上。前者要求在水池表面一層產(chǎn)生極高的流速，而對深海處的流速要求不高，而后者要求在深海處和淺海處均產(chǎn)生一樣的流速，即從海底至海面均為大小一致的流速，這兩個矛盾的要求對造流系統(tǒng)提出了很高的要求。經(jīng)過研究，采用簡單的多層外循環(huán)式造流方法也難以同時滿足上述兩種要求。因為淺剖面大流速要求對于表面層的造流泵具有很大的功率，而深剖面均勻流速則要求所有層的造流泵的功率情況基本一致。如果采用了所有層均采用相同造流能力的方式，只有通過壓縮表面層的高度來同時滿足二者的要求。這種造流方法可以在一定程度上滿足要求，但帶來的問題是，當需要模擬表面高流速時，單靠表層的造流泵發(fā)出功率來滿足要求，其余層的造流泵無法發(fā)揮作用，所制造的表面高流速有限，而需要制造大深度均勻流的時候，表層的造流泵無法全部發(fā)揮功率，只能以半功率、甚至低于半功率的形式工作，這樣造成了各層造流泵單臺功率大，設(shè)備能力浪費的現(xiàn)象。在進一步的檢索中，尚未與本發(fā)明主題相同或者類似的文獻報道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，提供一種并流式深水造流系統(tǒng)及方法，使其能夠在水池試驗中模擬滿足試驗要求的各種深水流流速剖面，并同時達到降低造價，節(jié)約能源的目的。同時，由于系統(tǒng)中設(shè)立連通管道溝通上下層的流動，使得水池具備了制造上升流或下降流的能力。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的本發(fā)明所述的并流式深水造流系統(tǒng)，由六層造流裝置組成，每一層包括驅(qū)動水泵、進水管道、出水管道。進水管道、出水管道連接水池的兩端。為達到并流目的，在最上兩層進出水管道和最下兩層進出水管道間有并流管道連接，并有閥門控制連通與否。進水管道連接驅(qū)動水泵和水池的進水端，出水管道由水池的出水端連到驅(qū)動水泵。在第一、六層造流裝置的進水管道和出水管道間均布置有管道連接，并由閥門控制是否連通。在第二、五層造流裝置的進水管道和出水管道間均布置有管道連接，并由閥門控制是否連通。在第一、二、五、六層造流裝置的進水管道和出水管道上均安裝閥門，由閥門控制是否連通。
本發(fā)明所述的并流式深水造流方法是采用上述造流系統(tǒng)實現(xiàn)的，通過并流管道的連通作用和閥門的控制，將水泵驅(qū)動的能量在各層間進行不同的分配，從而使系統(tǒng)具備制造各種不同剖面流的能力。具體如下①當需要在水池中制造較均勻的大深度剖面流時，將并流管道中的閥門關(guān)閉，切斷并流管道。每層造流裝置驅(qū)動水泵只負責驅(qū)動本層的水流，這樣就可以制造更均勻的深水流。需要小幅改變水流流速剖面形狀時，只要調(diào)解各層水泵的轉(zhuǎn)速，使其驅(qū)動的本層水流的流速改變就可以了。
②當需要在水池表面制造更高流速的時候，通過并流管道將底層造流裝置驅(qū)動水泵部分連接至上層造流裝置的管道中，同時驅(qū)動表層水流，這樣就可以制造更高流速的表面水流。同樣道理，當需要在水池底部制造更高流速的時候，通過管道將上層驅(qū)動水泵部分連接至底層造流裝置的管道中，同時驅(qū)動一層水流，這樣就可以制造更高流速的底部水流。
③當需要制造上升流(即從底部流向水面的水流時)，可以通過閥門的關(guān)閉和開啟，使水流通過并流管道集中從池底的進水管道進入水池，并從對側(cè)池頂部的出水管道流出水池，在水池中形成上升的水流，從而在水池中模擬上升流。同樣道理，在水池通過閥門的關(guān)閉和開啟，使水流通過并流管道集中從池頂?shù)倪M水管道進入水池，并從對側(cè)池底部的出水管道流出水池，在水池中形成下降的水流，從而在水池中模擬下降流。
本發(fā)明將兩層的功率并到一層，從而通過集中能量的方法將單臺水泵的流量和功率集中起來制造較高的流速，從而在不增加單臺功率的情況下制造更高的流速，滿足了深海海洋工程試驗的要求。本發(fā)明還通過閥門的開關(guān)制造的水流進出水池的位置差，首次提出了在水池中制造上升流或下降流的方法。本發(fā)明為深海海洋工程試驗研究提供了關(guān)鍵的技術(shù)支持和試驗手段，提高了模擬流速、降低了設(shè)備造價、減少了能源消耗。


圖1為本發(fā)明系統(tǒng)示意2為本發(fā)明制造均勻流速剖面示意3為本發(fā)明制造表面高流速剖面示意4為本發(fā)明制造上升流示意5為本發(fā)明制造下降流示意圖具體實施方式
如圖1所示，本發(fā)明的造流系統(tǒng)包括相對獨立的六層造流裝置1、2、3、4、5、6，每層造流裝置均由驅(qū)動水泵7、進水管道8、出水管道9組成，進水管道8、出水管道9連接水池10的兩端，六層造流裝置1、2、3、4、5、6依照次序垂向布置在水池10外圍，造流裝置6為最下層，造流裝置1為最上層。
造流裝置1和造流裝置6的出水管道9通過并流管道11連接在一起，進水管道8通過并流管道13連接在一起。閥門12安裝在并流管道11上，閥門14安裝在并流管道13上，分別控制它們的連通和斷開。
造流裝置2和造流裝置5的出水管道9通過并流管道15連接在一起，進水管道8通過并流管道17連接在一起。閥門16安裝在并流管道15上，閥門18安裝在并流管道17上，分別控制它們的連通和斷開。
在造流裝置1的出水管道9上有閥門19，進水管道8上有閥門20。在造流裝置2的出水管道9上有閥門21，進水管道8上有閥門22。在造流裝置5的出水管道9上有閥門23，進水管道8上有閥門24。在造流裝置6的出水管道9上有閥門25，進水管道8上有閥門26。
本發(fā)明造流方法是采用垂向分布于水池深度方向的六層外循環(huán)式造流裝置1、2、3、4、5、6，其中的造流裝置1、6的進出流管道8、9通過并流管道11、13、造流裝置2、5的進出流管道8、9通過并流管道15、17的連通，通過調(diào)節(jié)安裝在管道上的閥門12、14、16、18、19、20、21、22、23、24、25、26控制通斷，使兩層造流裝置1、6或2、5的驅(qū)動水泵7驅(qū)動水的能量在垂向各層造流裝置1、6或2、5間進行分配，使兩層造流裝置1、6或2、5的能量既可以通過調(diào)節(jié)能夠集中于某一層制造更高的水流流速又可以通過調(diào)節(jié)使其分散于兩層制造垂向分布較均衡的水流流速，從而在制造各種大差異的剖面流的同時，最大限度的發(fā)揮各層驅(qū)動水泵7驅(qū)動水的能量，增加系統(tǒng)的靈活性，在保證系統(tǒng)功能的同時減少造價。
如圖2所示，為本發(fā)明制造均勻流速剖面示意圖。當需要在水池中制造較均勻的大深度剖面流時，將并流管道中的閥門12、14、16、18關(guān)閉，這樣并流管道11、13、15、17都關(guān)閉(圖中用虛線表示關(guān)閉的管道，以下同)，造流裝置1、2、3、4、5、6的驅(qū)動水泵7均只驅(qū)動本層的水流，這樣就可以制造較均勻的深水流。需要小幅改變水流流速剖面形狀時，只要調(diào)解各層驅(qū)動水泵7的轉(zhuǎn)速，使其驅(qū)動的本層水流的流速改變就可以了。
如圖3所示，為本發(fā)明制造表面高流速剖面示意圖。當需要在水池表面制造更高流速的時候，關(guān)閉閥門進出水管道中的閥門23、24、25、26，將并流管道中的閥門12、14、16、18開啟，這樣并流管道11、13、15、17都打開，將造流裝置5和6的驅(qū)動水泵7分別連接至造流裝置1和2的管道中，共同驅(qū)動造流裝置1、2水流，這樣就可以在水池表面制造更高流速的水流。同時造流裝置3、4的驅(qū)動水泵7依舊驅(qū)動本層水流，維持從表面流速到底層無流之間過渡所必需的流速梯度。
如圖4所示，為本發(fā)明制造上升流示意圖。當需要制造上升流時(即從底部流向水面的水流時)，關(guān)閉閥門進出水管道中的閥門20、22、23、25，將并流管道中的閥門12、14、16、18開啟，這樣并流管道11、13、15、17都打開，使水流只能從造流裝置1、2流出水池，從造流裝置5、6流入水池。這樣就制造了水池流入水池的垂向位置差異，從而達到了制造上升流的目的。
如圖5所示，為本發(fā)明制造下降流示意圖。當需要制造下降流時(即從水面流向底部的水流時)，關(guān)閉閥門進出水管道中的閥門19、21、24、26，將并流管道中的閥門12、14、16、18開啟，這樣并流管道11、13、15、17都打開，使水流只能從造流裝置1、2流入水池，從造流裝置5、6流出水池。這樣就制造了水池流入水池的垂向位置差異，從而達到了制造下降流的目的。
權(quán)利要求
1.一種并流式深水造流系統(tǒng)，包括六層造流裝置(1、2、3、4、5、6)，其特征在于，六層造流裝置(1、2、3、4、5、6)相對獨立，每層造流裝置均由驅(qū)動水泵(7)、進水管道(8)、出水管道(9)組成，進水管道(8)、出水管道(9)連接水池(10)的兩端，六層造流裝置(1、2、3、4、5、6)依照次序垂向布置在水池(10)外圍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的并流式深水造流系統(tǒng)，其特征是，造流裝置(1)和造流裝置(6)的出水管道(9)通過并流管道(11)連接在一起，進水管道(8)通過并流管道(13)連接在一起，閥門(12)設(shè)置在并流管道(11)上，閥門(14)設(shè)置在并流管道(13)上，分別控制它們的連通和斷開。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的并流式深水造流系統(tǒng)，其特征是，造流裝置(2)和造流裝置(5)的出水管道(9)通過并流管道(15)連接在一起，進水管道(8)通過并流管道(17)連接在一起，閥門(16)設(shè)置在并流管道(15)上，閥門(18)設(shè)置在并流管道(17)上，分別控制它們的連通和斷開。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或者2所述的并流式深水造流系統(tǒng)，其特征是，在造流裝置(1)的出水管道(9)上有閥門(19)，進水管道(8)上有閥門(20)；在造流裝置(6)的出水管道(9)上有閥門(25)，進水管道(8)上有閥門(26)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或者3所述的并流式深水造流系統(tǒng)，其特征是，在造流裝置(2)的出水管道(9)上有閥門(21)，進水管道(8)上有閥門(22)；在造流裝置(5)的出水管道(9)上有閥門(23)，進水管道(8)上有閥門(24)。
6.一種如權(quán)利要求1所述的并流式深水造流系統(tǒng)的并流式深水造流方法，其特征是，采用垂向分布于水池深度方向的六層外循環(huán)式造流裝置(1、2、3、4、5、6)，其中的造流裝置(1、6)的進出流管道(8、9)通過并流管道(11、13)、造流裝置(2、5)的進出流管道(8、9)通過并流管道(15、17)的連通，通過調(diào)節(jié)安裝在管道上的閥門(12、14、16、18、19、20、21、22、23、24、25、26)控制通斷，使兩層造流裝置(1、6或2、5)的驅(qū)動水泵(7)驅(qū)動水的能量在垂向各層造流裝置(1、6或2、5)間進行分配，從而制造各種剖面流。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的并流式深水造流方法，其特征是，當需要在水池表面制造更高流速的時候，關(guān)閉閥門進出水管道中的閥門(23、24、25、26)，將并流管道中的閥門(12、14、16、18)開啟，這樣并流管道(11、13、15、17)都打開，將造流裝置(5、6)的驅(qū)動水泵(7)分別連接至造流裝置(1、2)的管道中，共同驅(qū)動造流裝置(1、2)水流，這樣在水池表面制造更高流速的水流；同時造流裝置(3、4)的驅(qū)動水泵(7)依舊驅(qū)動本層水流，維持從表面流速到底層無流之間過渡所必需的流速梯度。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的深水造流方法，其特征是，當需要在水池中制造均勻的大深度剖面流時，將并流管道中的閥門(12、14、16、18)關(guān)閉，這樣并流管道(11、13、15、17)都關(guān)閉，每層造流裝置(1、2、3、4、5、6)的驅(qū)動水泵(7)均只驅(qū)動本層的水流，這樣就能制造較均勻的深水流，需要小幅改變水流流速剖面形狀時，只要小幅調(diào)解各層造流裝置中的驅(qū)動水泵(7)的轉(zhuǎn)速，使其驅(qū)動的本層水流的流速改變。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的并流式深水造流方法，其特征是，當需要制造上升流時，即從底部流向水面的水流時，關(guān)閉閥門進出水管道中的閥門(20、22、23、25)，將并流管道中的閥門(12、14、16、18)開啟，這樣并流管道(11、13、15、17)都打開，使水流只能從造流裝置(1、2)流出水池，從造流裝置(5、6)流入水池，這樣就制造了水池流入水池的垂向位置差異，從而達到了制造上升流的目的。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的并流式深水造流方法，其特征是，當需要制造下降流時，即從水面流向底部的水流時，關(guān)閉閥門進出水管道中的閥門(19、21、24、26)，將并流管道中的閥門(12、14、16、18)開啟，這樣并流管道(11、13、15、17)都打開，使水流只能從造流裝置(1、2)流入水池，從造流裝置(5、6)流出水池，這樣就制造了水池流入水池的垂向位置差異，從而達到了制造下降流的目的。
全文摘要
一種船舶與海洋工程領(lǐng)域的并流式深水造流系統(tǒng)及方法，造流系統(tǒng)包括六層造流裝置，每層造流裝置均由驅(qū)動水泵、進水管道、出水管道組成，進水管道、出水管道連接水池的兩端，六層造流裝置依照次序垂向布置在水池外圍。造流方法為在垂向分布于水池深度方向的六層外循環(huán)式造流裝置中的頂部兩層和底部兩層中布置有連通管道，通過調(diào)節(jié)安裝在管道上的閥門控制通斷，使得造流裝置的驅(qū)動水泵驅(qū)動水的能量在垂向各層造流裝置間進行分配，從而制造各種剖面流。本發(fā)明能在水池試驗中模擬滿足試驗要求的各種深水流流速剖面，并同時達到降低造價，節(jié)約能源的目的。同時，由于系統(tǒng)中設(shè)立連通管道溝通上下層的流動，使得水池具備了制造上升流或下降流的能力。
文檔編號E02B1/00GK1827921SQ200610025220
公開日2006年9月6日 申請日期2006年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月30日
發(fā)明者楊建民, 彭濤, 張承懿, 李潤培 申請人:上海交通大學