CN103267651B - 用于巨型海工离心机的超重力场造风装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于巨型海工离心机的超重力场造风装置，包括：海工吊篮模型箱、蜂窝器、鼓风机和抽风机，海工吊篮模型箱为圆弧形且具有槽腔，海工吊篮模型箱上设有进风口、进水口、出风口和出水口，海工吊篮模型箱沿从第一端到第二端的长度方向分为第一段、第二段和位于第一段和第二段中间且用于放置海工结构的中间段，第二段内设有邻近第二端的消能结构，中间段的底壁向外突出以形成凹槽，凹槽内和槽腔的底面上设有土质海床，槽腔内填充有水。蜂窝器设在第一段内且邻近进风口。鼓风机与进风口相连以向槽腔内鼓风。抽风机与出风口相连以从槽腔内抽风。本发明的超重力场造风装置能够在超重力场下再现海洋风暴过程。

Description

用于巨型海工离心机的超重力场造风装置

技术领域

本发明涉及巨型海工离心机技术领域，尤其是涉及一种用于巨型海工离心机的超重力场造风装置。

背景技术

为了发展海洋经济、开发海洋资源、保障海上安全，需要模拟海洋典型载荷环境，例如模拟海洋风暴过程。为了模拟海洋风暴过程，目前通常在重力加速度（1g）下采用风洞装置进行海洋风暴模拟，但是由于无法实现在超重力场下模拟海洋风暴过程，因此模拟的海洋风暴过程与真实的海洋风暴过程相差较大，结果不精确，影响了海洋工程研究和技术咨询。传统的土工离心机由于设计原理和结构形式使得模型中离心加速度分布误差大，模型的边界条件不正确，无法用于模拟海工结构所处的复杂的海洋环境。尤其是，目前还没有能够在超重力场下模拟复杂海洋环境如海洋风暴过程的海工离心机。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种用于巨型海工离心机的超重力场造风装置，该超重力场造风装置能够在超重力场下再现海洋风暴过程，模拟海洋环境下海洋风暴过程-海工结构-土质海床的相互作用，且模拟的海洋风暴过程逼真，结果精确，为海洋工程设计和施工技术突破提供高水平的实验平台。

根据本发明实施例的用于巨型海工离心机的超重力场造风装置，包括：海工吊篮模型箱，所述海工吊篮模型箱为圆弧形，所述海工吊篮模型箱内具有槽腔，所述海工吊篮模型箱的第一端的端面上设有进风口和进水口，所述海工吊篮模型箱的第二端的端面上设有出风口和出水口，所述海工吊篮模型箱沿从所述第一端到所述第二端的长度方向分为第一段、第二段和位于所述第一段和第二段中间且用于放置海工结构的中间段，所述第二段内设有邻近所述第二端的消能结构，所述中间段的底壁向外突出以形成凹槽，所述凹槽内和所述槽腔的底面上设有土质海床，所述槽腔内填充有水；蜂窝器，所述蜂窝器设在所述第一段内且邻近所述进风口；鼓风机，所述鼓风机与所述进风口相连，用于通过所述进风口向所述槽腔内鼓风；和抽风机，所述抽风机与所述出风口相连，用于通过所述出风口从所述槽腔内抽风。

根据本发明实施例的巨型海工离心机的超重力场造风装置，通过使得海工吊篮模型箱形成为圆弧形，在巨型海工离心机旋转的过程中可在海工吊篮模型箱中产生分布均匀合理的超重力场，在超重力场的作用下，通过鼓风机、蜂窝器和抽风机产生人造可控风，从而能够在超重力场下再现海洋风暴过程，模拟海洋环境下海洋风暴过程-海工结构-土质海床的相互作用，且模拟的海洋风暴过程逼真，结果精确，为海洋工程设计和施工技术突破提供高水平的实验平台。

另外，根据本发明上述实施例的用于巨型海工离心机的超重力场造风装置还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一些实施例，所述槽腔的底壁内设有出水通道，所述出水通道具有进口和出口，所述出水通道的进口与所述出水口相连，所述出水通道的出口形成在所述凹槽的底壁的外表面上。从而便于排出槽腔内的水。

优选地，所述出水通道的出口位于所述凹槽的底壁的中心位置。

进一步地，所述第一段和第二段的周长相同且相对于所述中间段彼此对称。从而可进一步保证模拟的海洋风暴过程逼真，结果精确。

更进一步地，所述凹槽的底壁为平的。从而进一步保证超重力场在海工吊篮模型箱内分布合理均匀。

在本发明的一些实施例中，所述海工吊篮模型箱具有矩形横截面。从而进一步保证超重力场在海工吊篮模型箱内分布合理均匀。

在本发明的一些实施例中，所述海工吊篮模型箱的中间段的顶壁上设有顶部开口，所述顶部开口由盖板密封。从而便于操作人员往槽腔内盛放土质海床和海工结构。

可选地，所述消能结构为斜坡。从而该消能结构结构简单可靠。

根据本发明的一些实施例，超重力造风装置还包括风道，所述风道具有矩形横截面，所述风道设在所述槽腔内的上部，所述风道朝向所述槽腔的底壁的一侧敞开。从而通过设有风道可导引风的流向，进一步保证人造可控风为水平流向，以进一步保证海洋风暴过程逼真，结果精确。

具体地，所述风道具有矩形横截面且沿从所述长度方向分为稳定段、收缩段、试验段、放大段和抽风回气段，所述稳定段和所述抽风回气段具有恒定的横截面积，所述收缩段的横截面积沿所述长度方向逐渐减小，所述放大段的横截面积沿所述长度方向逐渐增大。从而保证经过试验段的气体流速稳定，以保证模拟的海洋风暴过程-海工结构-土质海床的动力相互作用的结果精确。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明实施例的用于巨型海工离心机的超重力场造风装置的剖面图；

图2为图1所示的超重力场造风装置的立体图；

图3为图1所示的超重力场造风装置中的风道的示意图；

图4为装配有图1所示的超重力场造风装置的巨型海工离心机处于未运行状态时的示意图；

图5为装配有图1所示的超重力场造风装置的巨型海工离心机处于运行状态时的示意图。

附图标记：

巨型海工离心机10000、机架100、转轴101、转臂200、

第一海工吊篮300、第二海工吊篮400、海工吊篮模型箱401、

槽腔4011、进风口4012、出风口4013、进水口4014、

第一段4016、第二段4018、中间段4017、消能结构4019、

凹槽4020、盖板4022、出风通道4023、进口40231、

出口40232、风道904、稳定段9041、收缩段9042、

试验段9043、放大段9044、抽风回气段9045、

海工结构1300、土质海床700、水1200、蜂窝器901、

鼓风机902、抽风机903

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，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。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下面参考图1-图5描述根据本发明实施例的一种用于巨型海工离心机的超重力场造风装置，其中，在本发明中，超重力场指的是在巨型海工离心机运行时的离心加速度场，由于此时离心加速度场为重力加速度场的N倍，因此称为超重力场。

如图2和图3所示，巨型海工离心机10000包括机架100、转臂200、第一海工吊篮300和第二海工吊篮400，转臂200可旋转地安装在机架100的转轴101上，第一海工吊篮300可上下摆动地连接在转臂200的第一端（如图5所示的左端）上，第二海工吊篮400可上下摆动地连接在转臂200的第二端（如图5所示的右端）上，第一海工吊篮300可用来模拟海洋环境，第二海工吊篮400包括超重力场造风装置内的海工吊篮模型箱401。

具体地，如图4所示，在重力的作用下，第一海工吊篮300和第二海工吊篮400呈下垂状态，如图5所示，当转臂200旋转加速直至产生N倍的离心加速度（Ng）时，第一海工吊篮300和第二海工吊篮400呈水平状态，此时第一海工吊篮300和第二海工吊篮400由于离心力的作用均位于超重力场下。更具体地，海工吊篮模型箱401的圆心角的范围为60-90度，N=50-150，即最大离心加速度可为150g，海工吊篮模型箱401从第一端到第二端的弧长的范围为500-1500米，转臂200的转动半径的范围可为7.0m-9.0m，其中g代表重力加速度。

根据本发明实施例的用于巨型海工离心机的超重力场造风装置，如图1所示，包括：海工吊篮模型箱401、蜂窝器901、鼓风机902和抽风机903，其中，海工吊篮模型箱401为圆弧形，海工吊篮模型箱401内具有槽腔4011，海工吊篮模型箱401的第一端（如图1中所示的左端）的端面上设有进风口4012和进水口4014，海工吊篮模型箱401的第二端（如图1中所示的右端）的端面上设有出风口4013和出水口，此时通过从进风口4012往槽腔4011内吹风且从出风口4013往外抽风以形成风力循环从而实现造风的目的。

海工吊篮模型箱401沿从第一端到第二端的长度方向分为第一段4016、第二段4018和位于第一段4016和第二段4018中间且用于放置海工结构1300的中间段4017，第二段4018内设有邻近第二端的消能结构4019，可选地，消能结构4019为斜坡。中间段4017的底壁向外突出以形成凹槽4020，凹槽4020内和槽腔4011的底面上设有土质海床700，也就是说，第一段4016的底面上放置有长度与第一段4016的周长相同的土质海床700，第二段4018的底面上放置有长度与第二段4018的周长相同的土质海床700，凹槽4020内放置有土质海床700，且凹槽4020内的土质海床700的顶面与第一段4016和第二段4018上的土质海床700的顶面平齐。槽腔4011内填充有水1200。

其中，值得说明的是，在超重力场造风装置处于未运行状态时，可通过进水口4014向槽腔4011内供水以使得槽腔4011内填充有水1200，此时出水口处于关闭状态。且可在超重力场造风装置处于未运行状态时，通过出水口向外排水进对槽腔4011内的水进行更换。在超重力场造风装置处于运行状态时，进水口4014和出水口均处于关闭状态。

蜂窝器901设在第一段4016内且邻近进风口4012。鼓风机902与进风口4012相连，用于通过进风口4012向槽腔4011内鼓风。抽风机903与出风口4013相连，用于通过出风口4013从槽腔4011内抽风。从而利用回流式或者直流式风洞原理通过鼓风机902、蜂窝器901和抽风机903产生水平方向的人造可控风，以模型典型的海洋风暴过程。具体地，本发明的人造可控风的风速范围为0-30m/s，即在风速最大时可模拟十级台风的海洋风暴过程，其马赫数低于0.4。

具体地，第一段4016为造风段，中间段4017为试验段、第二段4018为消能段，此时，造风段4016利用风洞原理产生水平方向、速度范围为0-30m/s的人造可控风，其马赫数低于0.4。在中部气体流速均匀的试验段4017布置海工结构1300，模拟海面上气流流动与海工结构的相互作用，空气流经过试验段4017后再经消能段4018消能后由抽风机903抽出槽腔4011以形成回流。其中，值得理解的是，本发明的超重力场造风装置还包括测试***等以对模拟的海洋风暴过程-海工结构-土质海床的相互作用的结果进行测试。

根据本发明实施例的巨型海工离心机的超重力场造风装置，通过使得海工吊篮模型箱401形成为圆弧形，在巨型海工离心机旋转的过程中可在海工吊篮模型箱401中产生分布均匀合理的超重力场，在超重力场的作用下，通过鼓风机902、蜂窝器901和抽风机903产生人造可控风，从而能够在超重力场下再现海洋风暴过程，模拟海洋环境下海洋风暴过程-海工结构-土质海床的相互作用，且模拟的海洋风暴过程逼真，结果精确，为海洋工程设计和施工技术突破提供高水平的实验平台。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，槽腔4011的底壁内设有出水通道4023，出水通道4023具有进口40231和出口40232，出水通道4023的进口40231与出水口相连，出水通道4023的出口40232形成在凹槽4020的底壁的外表面上，此时，槽腔4011内的水流通过出水口进入到出水通道4023内，并流经整个出水通道4023后从出水通道4023的出口40232排出槽腔4011。从而可便于排放槽腔4011内的水。可选地，如图1所示，出水通道4023的出口40232位于凹槽4020的底壁的中心位置。其中，值得说明的是，在超重力场造风装置处于运行状态时，出水通道4023处于关闭状态。

在本发明的一些实施例中，如图1所示，第一段4016和第二段4018的周长相同且相对于中间段4017彼此对称，从而可进一步保证模拟的海流过程逼真、结果精确。进一步地，凹槽4020的底壁为平的，从而可便于海工吊篮模型箱401的加工成型，进一步保证超重力场在海工吊篮模型箱401内分布合理均匀。如图2和图4所示，在本发明的一些示例中，海工吊篮模型箱401具有矩形横截面，从而进一步保证离心加速度场在海工吊篮模型箱401上分布均匀。

为了便于向海工吊篮模型箱401内放置土质海床700和海工结构1300，在本发明的一些实施例中，如图1所示，海工吊篮模型箱401的中间段4017的顶壁上设有顶部开口，顶部开口由盖板4022密封。

根据本发明的一些实施例，如图1和图3所示，用于巨型海工离心机的超重力场造风装置还包括风道904，该风道904具有矩形横截面，风道904设在槽腔4011内的上部，风道904朝向槽腔4011的底壁的一侧敞开，从而通过设有风道904可导引风的流向，进一步保证人造可控风为水平流向，以进一步保证海洋风暴过程逼真，结果精确。

进一步地，如图3所示，风道904具有矩形横截面且沿从长度方向分为稳定段9041、收缩段9042、试验段9043、放大段9044和抽风回气段9045，其中，稳定段9041和抽气回收段9045具有恒定的横截面积，收缩段9042的横截面积沿长度方向逐渐减小，放大段9044的横截面积沿长度方向逐渐增大，试验段9043具有恒定的横截面积。从而可保证经过试验段9043的气体流速稳定，以保证模拟的海洋风暴过程-海工结构-土质海床的动力相互作用的结果精确。

根据本发明实施例的用于巨型海工离心机的超重力场造风装置主要用于模拟海洋环境下各海工结构与海床***的多相、多尺度、多过程物理力学行为和动力相互作用，主要瞄准三大类迫切需要解决的重大海洋工程科学问题：1）海洋风暴过程-海工结构-土质海床的共同工作问题；2）海洋自然灾害及工程风险问题；3）海底勘探方法验证和岩土工程评价问题。旨在实现四个重大科学目标：1）再现海洋环境下海工结构-土质海床的动力学行为；2）揭示海工结构灾变规律；3）建立海洋风暴过程-海工结构-土质海床相互作用理论；4）对比大型海工结构***设计方案，为海洋工程设计、施工技术突破提供高水平的试验验证平台。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种用于巨型海工离心机的超重力场造风装置，其特征在于，包括：

海工吊篮模型箱，所述海工吊篮模型箱为圆弧形，所述海工吊篮模型箱内具有槽腔，所述海工吊篮模型箱的第一端的端面上设有进风口和进水口，所述海工吊篮模型箱的第二端的端面上设有出风口和出水口，所述海工吊篮模型箱沿从所述第一端到所述第二端的长度方向分为第一段、第二段和位于所述第一段和第二段中间且用于放置海工结构的中间段，所述第二段内设有邻近所述第二端的消能结构，所述中间段的底壁向外突出以形成凹槽，所述凹槽内和所述槽腔的底面上设有土质海床，所述槽腔内填充有水；

蜂窝器，所述蜂窝器设在所述第一段内且邻近所述进风口；

鼓风机，所述鼓风机与所述进风口相连，用于通过所述进风口向所述槽腔内鼓风；和

抽风机，所述抽风机与所述出风口相连，用于通过所述出风口从所述槽腔内抽风。

2.根据权利要求1所述的用于巨型海工离心机的超重力场造风装置，其特征在于，所述槽腔的底壁内设有出水通道，所述出水通道具有进口和出口，所述出水通道的进口与所述出水口相连，所述出水通道的出口形成在所述凹槽的底壁的外表面上。

3.根据权利要求2所述的用于巨型海工离心机的超重力场造风装置，其特征在于，所述出水通道的出口位于所述凹槽的底壁的中心位置。

4.根据权利要求3所述的用于巨型海工离心机的超重力场造风装置，其特征在于，所述第一段和第二段的周长相同且相对于所述中间段彼此对称。

5.根据权利要求4所述的用于巨型海工离心机的超重力场造风装置，其特征在于，所述凹槽的底壁为平的。

6.根据权利要求1所述的用于巨型海工离心机的超重力场造风装置，其特征在于，所述海工吊篮模型箱具有矩形横截面。

7.根据权利要求1所述的用于巨型海工离心机的超重力场造风装置，其特征在于，所述海工吊篮模型箱的中间段的顶壁上设有顶部开口，所述顶部开口由盖板密封。

8.根据权利要求1所述的用于巨型海工离心机的超重力场造风装置，其特征在于，所述消能结构为斜坡。

9.根据权利要求1-8中任一项所述的用于巨型海工离心机的超重力场造风装置，其特征在于，还包括风道，所述风道具有矩形横截面，所述风道设在所述槽腔内的上部，所述风道朝向所述槽腔的底壁的一侧敞开。

10.根据权利要求9所述的用于巨型海工离心机的超重力场造风装置，其特征在于，所述风道具有矩形横截面且沿从所述长度方向分为稳定段、收缩段、试验段、放大段和抽风回气段，所述稳定段和所述抽风回气段具有恒定的横截面积，所述收缩段的横截面积沿所述长度方向逐渐减小，所述放大段的横截面积沿所述长度方向逐渐增大。