一種模擬海洋工程模型試驗(yàn)中風(fēng)場(chǎng)影響的物理裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及海洋工程技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種模擬海洋工程模型試驗(yàn)中風(fēng)場(chǎng)影響的物理裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]在海洋資源的開發(fā)、利用、保護(hù)、恢復(fù)中，海洋工程是一門關(guān)鍵的學(xué)科。海洋工程的一個(gè)重要內(nèi)容是研究海洋表面風(fēng)場(chǎng)對(duì)船舶和海上平臺(tái)等海洋浮體的作用。目前的物理模擬裝置不但實(shí)現(xiàn)困難，而且成本高昂。為了克服現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成本高昂，環(huán)境載荷不受控制的困難，可以通過(guò)試驗(yàn)水池模型試驗(yàn)來(lái)研究海洋表面風(fēng)場(chǎng)對(duì)海洋浮體的作用，這是海洋工程領(lǐng)域經(jīng)常采用的研究手段。
[0003]目前對(duì)海洋表面風(fēng)場(chǎng)的模擬主要分為數(shù)值仿真方法和物理方法兩類。這兩類方法都是通過(guò)模擬風(fēng)場(chǎng)得到風(fēng)場(chǎng)對(duì)海洋浮體的作用，進(jìn)而得到海洋浮體對(duì)風(fēng)場(chǎng)作用的響應(yīng)。
[0004]風(fēng)場(chǎng)作用的數(shù)值仿真方法源自流體力學(xué)的數(shù)值仿真，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算和圖像顯示來(lái)模擬海洋表面空氣流動(dòng)的情況。這種方法是1953年研究人員在模擬一維氣相不穩(wěn)定徑向和線形流時(shí)提出的，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步得到了迅猛的發(fā)展。數(shù)值仿真方法的優(yōu)勢(shì)在于可以方便地與海浪等環(huán)境條件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)虛擬的海洋表面風(fēng)場(chǎng)；劣勢(shì)則主要表現(xiàn)為無(wú)法考慮所有的自然條件因素和風(fēng)隨機(jī)性的影響，因而仿真的準(zhǔn)確性很低。
[0005]物理模擬是模擬風(fēng)場(chǎng)的又一重要手段。在對(duì)海洋表面風(fēng)場(chǎng)的作用進(jìn)行模擬時(shí)，目前國(guó)內(nèi)外并沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)定，試驗(yàn)水池模擬的方法主要有兩種:一種是風(fēng)洞模擬方法，另一種方法是風(fēng)機(jī)模擬方法。
[0006]風(fēng)洞模擬方法在航空領(lǐng)域被廣泛采用，它可以模擬出高質(zhì)量的風(fēng)場(chǎng)，最初主要用于研究飛行器的氣動(dòng)性能，改進(jìn)后被推廣到了建筑設(shè)計(jì)和海洋工程等領(lǐng)。風(fēng)洞模擬方法所模擬出的風(fēng)場(chǎng)具有氣流穩(wěn)定性高、風(fēng)速均勻性高和風(fēng)向均勻性好等優(yōu)點(diǎn)，但由于海洋工程中的風(fēng)場(chǎng)模擬需要與其它海洋環(huán)境條件相結(jié)合，因而在實(shí)際應(yīng)用中難以實(shí)現(xiàn)，而且成本高昂ο
[0007]目前國(guó)內(nèi)試驗(yàn)水池普遍采用風(fēng)機(jī)陣列的方式來(lái)模擬風(fēng)場(chǎng)，即將數(shù)十個(gè)風(fēng)機(jī)組成一個(gè)陣列，利用風(fēng)機(jī)產(chǎn)生的空氣流動(dòng)形成風(fēng)場(chǎng)。該方法能與其他海洋環(huán)境條件較好地結(jié)合，是數(shù)值計(jì)算修正的重要參照對(duì)象，但與風(fēng)洞方法相比，風(fēng)場(chǎng)模擬的準(zhǔn)確性仍然較低，主要原因在于:1)由于風(fēng)機(jī)陣列下部必須留有一定空間來(lái)容納波浪通過(guò)，因此它們需要被懸掛在水面上方一定高度處。風(fēng)機(jī)矩陣下表面和靜水面之間的空間使得空氣從風(fēng)機(jī)矩陣流出后有水平和垂直兩個(gè)方向的能量擴(kuò)散的過(guò)程，導(dǎo)致風(fēng)場(chǎng)空氣流動(dòng)比較紊亂。2)進(jìn)行海洋工程試驗(yàn)的水池與風(fēng)洞不同。風(fēng)洞是一個(gè)封閉空間，而試驗(yàn)水池由于要同時(shí)模擬其他重要環(huán)境因素(水深、波浪和水流)，必須是一個(gè)開放空間。在試驗(yàn)水池中模擬風(fēng)場(chǎng)，其空氣循環(huán)勢(shì)必會(huì)受到池岸、建筑物墻體等構(gòu)筑物的影響。3)由于海洋浮體安裝了大量設(shè)施設(shè)備導(dǎo)致其體積較大，進(jìn)而造成受風(fēng)面積較大，在風(fēng)、浪、流載荷的綜合作用下，浮體會(huì)產(chǎn)生較大范圍的隨機(jī)漂移運(yùn)動(dòng)。而試驗(yàn)水池內(nèi)模擬風(fēng)場(chǎng)的能量和速度會(huì)隨著浮體與風(fēng)機(jī)間距離的變化而變化。4)國(guó)際上對(duì)于海洋工程模型試驗(yàn)中風(fēng)速的比尺是否按照重力相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計(jì)一直存在爭(zhēng)議，這也會(huì)影響模型實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度。除以上幾點(diǎn)外，用風(fēng)機(jī)陣列方式模擬風(fēng)場(chǎng)的操作復(fù)雜，能耗巨大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種操作簡(jiǎn)單、成本低的海洋工程模型試驗(yàn)中風(fēng)場(chǎng)影響的物理模擬裝置。
[0009]本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):一種模擬海洋工程模型試驗(yàn)中風(fēng)場(chǎng)影響的物理裝置，包括風(fēng)扇、旋轉(zhuǎn)底座、滑動(dòng)底座、滑軌、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制器、壓力傳感器和數(shù)據(jù)處理單元；
[0010]所述的滑軌安裝在海洋浮體模型上；優(yōu)選的，所述的滑軌安裝于海洋浮體模型縱剖面的滑軌上，
[0011]所述的滑動(dòng)底座安裝在滑軌上，
[0012]所述的旋轉(zhuǎn)底座安裝在滑動(dòng)底座上，
[0013]所述的風(fēng)扇安裝在旋轉(zhuǎn)底座上，根據(jù)牛頓第三定律，利用風(fēng)扇運(yùn)行時(shí)所產(chǎn)生風(fēng)力的反作用力對(duì)海洋浮體模型的作用模擬海洋表面風(fēng)場(chǎng)對(duì)海上浮體的作用，
[0014]所述的海上浮體為船舶等海上浮體。
[0015]所述的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制器與風(fēng)扇連接，通過(guò)改變風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，模擬實(shí)際環(huán)境中風(fēng)力的大小，
[0016]所述的風(fēng)扇的風(fēng)力的作用點(diǎn)通過(guò)改變風(fēng)扇的位置進(jìn)行調(diào)節(jié)，
[0017]所述的壓力傳感器分別與風(fēng)扇和數(shù)據(jù)處理單元連接，所述的壓力傳感器采集風(fēng)扇的風(fēng)力數(shù)據(jù)，并送至數(shù)據(jù)處理單元進(jìn)行處理顯示。
[0018]所述的旋轉(zhuǎn)底座帶動(dòng)安裝在其上的風(fēng)扇旋轉(zhuǎn)，從而改變風(fēng)扇所產(chǎn)生風(fēng)力的方向，模擬實(shí)際環(huán)境中風(fēng)力的方向。
[0019]所述的滑動(dòng)底座滑動(dòng)安裝在滑軌上，通過(guò)滑動(dòng)底座的滑動(dòng)調(diào)節(jié)風(fēng)力的水平作用點(diǎn)，從而調(diào)節(jié)風(fēng)扇風(fēng)力的力矩。
[0020]通過(guò)調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)底座在垂直方向上的高度進(jìn)而調(diào)節(jié)風(fēng)力的垂直作用點(diǎn)。
[0021]所述的壓力傳感器固定在風(fēng)扇上；
[0022]優(yōu)選的，所述的風(fēng)扇和壓力傳感器之間設(shè)有活動(dòng)塊，所述的壓力傳感器安裝在該活動(dòng)塊上。
[0023]所述的數(shù)據(jù)處理單元為嵌入式系統(tǒng)，集成在壓力傳感器內(nèi)部。
[0024]所述的風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)力由杠桿原理計(jì)算得出。
[0025]所述的風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)力計(jì)算式如下:F = RLyLi，其中，1^是風(fēng)扇中心到底座的距離；F2是壓力傳感器受到的力，1^是底座的軸心到風(fēng)扇的距離。
[0026]本發(fā)明不需要模擬風(fēng)場(chǎng)本身，而是通過(guò)安裝在海洋浮體模型上的風(fēng)扇來(lái)直接模擬海洋風(fēng)場(chǎng)作用下海上浮體的響應(yīng)。由于研究的海上浮體強(qiáng)度很大，可視為剛體，所以海洋風(fēng)場(chǎng)對(duì)海上浮體的作用可表示為作用在海上浮體上的某點(diǎn)的力和力矩。基于這一點(diǎn)，在已知海洋表面風(fēng)場(chǎng)對(duì)海洋浮體的作用(含風(fēng)力的作用點(diǎn)、大小和方向)時(shí)，根據(jù)牛頓第三定律，即可通過(guò)物理手段模擬出海洋表面風(fēng)場(chǎng)對(duì)海洋浮體的影響。
[0027]除以上幾個(gè)方面之外，本發(fā)明還可模擬海洋風(fēng)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化。即模擬自然界中的定常風(fēng)和非定常風(fēng)。由于非定常風(fēng)的風(fēng)速隨時(shí)間隨機(jī)地變化，而使用風(fēng)機(jī)陣列裝置受到周圍環(huán)境因素(如風(fēng)機(jī)陣列高度、池岸和建筑物墻壁等)對(duì)模擬風(fēng)場(chǎng)的影響，所以目前的風(fēng)機(jī)矩陣模擬方式主要用于模擬定常風(fēng)。相比之下，本發(fā)明受試驗(yàn)水池環(huán)境因素的影響很小，因此能通過(guò)調(diào)整風(fēng)扇轉(zhuǎn)速模擬非定常風(fēng)。
[0028]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0029](1)本發(fā)明設(shè)有底座和滑軌，調(diào)節(jié)風(fēng)力的作用點(diǎn)，可以非常精確地模擬出已知的風(fēng)場(chǎng)作用，并且同風(fēng)機(jī)矩陣裝置一樣，可以很容易地與其它海洋環(huán)境條件相結(jié)合；
[0030](2)本發(fā)明通過(guò)底座和滑軌的配合，可以模擬變化的風(fēng)向?qū)Ｉ细◇w的作用，海洋浮體較大范圍的隨機(jī)漂移運(yùn)動(dòng)不會(huì)對(duì)新裝置的模擬產(chǎn)生影響；
[0031](3)本發(fā)明受試驗(yàn)水池環(huán)境因素的影響很小，可以模擬風(fēng)場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化，通過(guò)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制器調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來(lái)模擬非定常風(fēng)；
[0032](4)本發(fā)明各部件成本較低，操作較簡(jiǎn)便。
【附圖說(shuō)明】
[0033]圖1本申請(qǐng)海洋工程模型試驗(yàn)中風(fēng)場(chǎng)影響的物理模擬裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0034]圖2風(fēng)扇與壓力傳感器相對(duì)位置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖3風(fēng)扇與壓力傳感器相對(duì)位置正視圖；
[0036]圖4風(fēng)扇受力分析圖；
[0037]圖5模擬系統(tǒng)實(shí)際風(fēng)力和理論計(jì)算值分析圖；
[0038]圖中標(biāo)識(shí)為:1風(fēng)扇，2旋轉(zhuǎn)底座，3滑動(dòng)底座，4滑軌，5壓力傳感器，6活動(dòng)塊。
【具體實(shí)施方式】
[0039]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳