CN109295913A - 一种底面固定式柔性水囊防波堤断面变形监测实验装置 - Google Patents

Abstract

发明公开了一种底面固定式柔性水囊防波堤断面变形监测实验装置，包括实验水槽、柔性水囊防波堤模型、光源和相机；所述的柔性水囊防波堤模型固定在实验水槽的内底面上，光源设置在柔性水囊防波堤模型中部上方或下方；所述的光源投射到防波堤模型上形成光带；所述的相机设置在实验水槽上对柔性水囊防波堤外表面或内表面进行拍摄；本发明实验装置简单可靠，实验可复制性较强。整个实验装置，除了柔性水囊防波堤模型，无需用到特殊定制的实验器材，实验装置的安装也同样方便快捷，大大简化了整个是实验的准备过程。本发明实验装置对整个实验过程中的流场的影响较小，在获得可靠实验结果的同时，有效的减小了实验误差。

Description

一种底面固定式柔性水囊防波堤断面变形监测实验装置

技术领域

本发明属于水力学实验模型设计，具体涉及一种底面固定式柔性水囊防波堤断面变形监测实验装置。

技术背景

防波堤是一种常见的港口、海岸工程结构，用来防御海浪对港口以及作业区域的侵袭，维持防护区域内水域平稳，保证船舶停靠、系泊、装卸作业、海洋工程施工作业、海洋养殖、近海体育运动等的安全，提高海洋作业窗口时间。

防波堤的结构形式是影响小狼效果的重要因素，各种类型的防波堤的消浪机理也有所差异，归纳起来主要有以下几种消波过程：

(1)波能反射，利用堤前部分反射能量。

(2)波列间的干涉消能，由于传递的波浪频率与结构本身运动产生的波浪频率不同从而形成两波间波动的相互牵制和抵消。

(3)紊动消能，水体与结构相互作用形成的碰撞摩擦和绕流破坏了原来波浪质点有规律的运动转变为杂乱的紊动而达到消能目的。

(4)波浪力做功，波浪力使结构产生位移或变形所做的功，有部分是不可逆转的能耗。

柔性防波堤相对于其它类型防波堤而言，在紊动消能和波浪力做功方面有一定的优势。柔性材料普遍存在于我们生活当中，但将柔性材料运用到防波堤领域却是近三十年才逐渐有人尝试。将柔性材料运用到防波堤领域，是具有重要意义的创新。因此，要验证柔性防波堤消波效果，研究其消波内在机理，以及在特定工况下其柔性表面变形和附近流场变化特点等，就需要通过合适的途径来解决。

由于柔性防波堤结构消波过程十分复杂，涉及到流固耦合过程，涉及到弹性体变形等非线性过程，现有的理论分析方法不能很好地对此物理过程进行准确分析。因此，目前主要采用大量实验研究数据和数值模拟技术来测量防波堤的消波效果。而实验研究的数据常常又被用来与数值模拟结果对比，以验证数值模拟技术的准确性。因此，物理模型实验对此柔性水囊防波堤结构问题的研究具有重要意义。

在目前的波浪水槽实验中，监测柔性体断面变型的方法还不够完善。如果不能准确的在物理模型实验中监测柔性水囊防波堤断面变形，就无法定性和定量的比较数值模拟的计算结果与物模实验结果，就无法进一步对数值模拟方法和物理模型实验进行改进。因此，要想将物模实验中的断面变形结果与数值模拟计算中相应结果做对照，就需要寻找误差更小，操作难度更小，更加简便的方法。

发明内容

针对于柔性水囊防波堤水槽实验装置存在的问题，为了更加准确简便的监测弹性体在实验过程中所选取断面的变形情况，本发明提供了一种底面固定式柔性水囊防波堤断面变形监测实验装置，本发明所选取可以对柔性水囊防波堤模型的断面进行监测。

为了实现上述目的，根据不同的实验水槽具体情况不同，本发明根据光源位置不同，所需监测相机数量不同，于是提供如下两套技术方案：

方案一：

本发明的一种底面固定式柔性水囊防波堤断面变形监测实验装置包括实验水槽、柔性水囊防波堤模型、光源和相机；

所述的柔性水囊防波堤模型固定在实验水槽的内底面上，光源设置在柔性水囊防波堤模型中部上方；所述的相机为三台，设置在实验水槽上对柔性水囊防波堤外表面进行拍摄；

所述的光源包含不透光灯罩，所述灯罩在投射到柔性水囊防波堤模型的方向上开设有一线形缝隙，使光源投射到防波堤模型上形成一条光带。

进一步的，所述的相机为高速相机，三台相机同步拍摄；三台相机镜头中心距柔性水囊防波堤模型外表面的距离相同，且三台相机镜头中心和防波堤侧面半圆圆心连线与底面所形成的夹角不同，其中，左右两台相机所形成的夹角为30°，中间台相机夹角为90°。

进一步的，所述的光源距试验水槽水面高度为40-50cm。

进一步的，所述的柔性水囊防波堤模型为半圆柱状，内部注满水体，表面为柔性材料，可发生非线性变形。

进一步的，所述的光源为白炽灯，功率60W及以上。

进一步的，所述的实验水槽侧面为透明玻璃。

进一步的，所述的光带宽度为5mm-10mm；光带位于防波堤外表面中部，光带平行于水槽侧壁。

方案二：

本发明的一种底面固定式柔性水囊防波堤断面变形监测实验装置包括实验水槽、柔性水囊防波堤模型、光源和相机；

所述的柔性水囊防波堤模型固定在实验水槽的内底面上，所述的柔性水囊防波堤模型底面和水槽底部为透明材质；光源设置在柔性水囊防波堤模型中部正下方；所述的相机设置在柔性水囊防波堤模型端面对防波堤模型内表面进行拍摄；

所述的光源包含不透光灯罩，所述灯罩在投射到柔性水囊防波堤模型的方向上开设有一线形缝隙，使光源投射到防波堤模型上形成一条光带。

进一步的，所述的相机为高速相机，其位于水槽侧壁上，处于柔性水囊防波堤对称面上，距防波堤底部为防波堤高度一半。

进一步的，所述的柔性水囊防波堤模型为半圆柱状，内部注满水体，弧形外表面为柔性材料，其它三面可选用透明钢化玻璃，也可选用薄钢板。

进一步的，所述的光源为白炽灯，功率60W及以上。

进一步的，所述的实验水槽侧面为透明玻璃。

进一步的，所述的光带宽度为5mm-10mm；光带位于防波堤内表面中部，光带平行于水槽侧壁。

本发明的有益效果在于：

1.填补了柔性体防波堤断面监测方法的空白，为以后对于实验方法的改进奠定了坚实的基础。对柔性体非线性变形断面的研究一直以来都是水力学模型实验的难点，困难之处就在于没有一个合适的对柔性体变形进行断面监测的方法。有了本发明所提出的实验装置，并对其进行扩展，至少可以满足大部分柔性体防波堤断面监测实验的需要。

2.实验装置简单可靠，实验可复制性较强。整个实验装置，除了柔性水囊防波堤模型，无需用到特殊定制的实验器材。本发明所提出的实验模型取材来自于普通工业材料，简单易得，实验装置的安装也同样方便快捷，大大简化了整个是实验的准备过程。

3.该实验装置对整个实验过程中的流场的影响较小，在获得可靠实验结果的同时，有效的减小了实验误差。

附图说明

图1为本发明实验整体布置方案一示意图；

图2为本发明实验整体布置方案二示意图；

图3为本发明方案一相机布置示意图；

图4为本发明方案二相机布置示意图；

图5为本发明光源细节示意图；

图中：1—柔性水囊防波堤模型，2—光带，3—高速相机，4—光源，5—灯罩。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步描述。

实施例1，如图1、3和5所示，本发明的底面固定式柔性水囊防波堤断面变形监测实验装置包括实验水槽、柔性水囊防波堤模型1、光源4和相机3；

所述的柔性水囊防波堤模型1固定在实验水槽的内底面上，光源4设置在柔性水囊防波堤模型中部上方；所述的相机3为三台，设置在实验水槽上对柔性水囊防波堤1外表面进行拍摄；

如图5所示所述的光源4包含不透光灯罩5，所述灯罩在投射到柔性水囊防波堤模型的方向上开设有一线形缝隙，使光源投射到防波堤模型上形成一条光带2。

优选的，所述的相机为高速相机，三台相机同步拍摄；三台相机镜头中心距柔性水囊防波堤模型外表面的距离相同，且三台相机镜头中心和防波堤侧面半圆圆心连线与底面所形成的夹角不同，其中，左右两台相机所形成的夹角为30°，中间台相机夹角为90°。

优选的，所述的光源距试验水槽水面高度为40-50cm。

优选的，所述的柔性水囊防波堤模型为半圆柱状，内部注满水体，表面为柔性材料，可发生非线性变形。

优选的，所述的光源为白炽灯，功率60W及以上。

优选的，所述的实验水槽侧面为透明玻璃。

优选的，所述的光带宽度为5mm-10mm；光带位于防波堤外表面中部，光带平行于水槽侧壁。

本实施例的安装过程如下：

首先，将相应实验装置和设备安放在合适位置。将柔性水囊防波堤1注满水后，放入水槽合适位置；在柔性水囊防波堤中部的上方架好光源4，并安装好其相应的挡光板5；将三台高速相机3按照图3的方式安装在水槽侧壁。

然后，检查试验设备状态是否正常。三台相机需要试拍，以检验其拍摄图片质量以及是否同步拍摄；光源所形成的光带是否合适，光带太粗或者太细都不合适，光带宽度优选5mm-10mm。

最后，根据所设工况进行实验，得到实验数据，并对实验数据进行处理。

实施例2，如图2、4和5所示，本发明的一种底面固定式柔性水囊防波堤断面变形监测实验装置包括实验水槽、柔性水囊防波堤模型、光源和相机；

所述的柔性水囊防波堤模型固定在实验水槽的内底面上，所述的柔性水囊防波堤模型底面和水槽底部为透明材质；光源设置在柔性水囊防波堤模型中部正下方；所述的相机设置在柔性水囊防波堤模型端面对防波堤模型内表面进行拍摄；

所述的光源包含不透光灯罩，所述灯罩在投射到柔性水囊防波堤模型的方向上开设有一线形缝隙，使光源投射到防波堤模型上形成一条光带。

优选的，所述的相机为高速相机，其位于水槽侧壁上，处于柔性水囊防波堤对称面上，距防波堤底部为防波堤高度一半。

优选的，所述的柔性水囊防波堤模型为半圆柱状，内部注满水体，弧形外表面为柔性材料，其它三面可选用透明钢化玻璃，也可选用薄钢板。

优选的，所述的光源为白炽灯，功率60W及以上。

优选的，所述的实验水槽侧面为透明玻璃。

优选的，所述的光带宽度为5mm-10mm；光带位于防波堤内表面中部，光带平行于水槽侧壁。

本实施例的安装过程如下：

首先，将相应实验装置和设备安放在合适位置。将柔性水囊防波堤1注满水后，放入水槽合适位置；在水槽底部下方的地面上，在柔性水囊防波堤中部正下方的位置架好光源4，并安装好其相应的挡光板5；将高速相机3按照图4的方式安装在水槽侧壁。

然后，检查试验设备状态是否正常。相机需要试拍，以检验其拍摄图片质量；光源所形成的光带是否合适，光带太粗或者太细都不合适，光带宽度优选5mm-10mm。

最后，根据所设工况进行实验。

Claims (10)

1.一种底面固定式柔性水囊防波堤断面变形监测实验装置，其特征在于包括实验水槽、柔性水囊防波堤模型、光源和相机；

所述的柔性水囊防波堤模型固定在实验水槽的内底面上，光源设置在柔性水囊防波堤模型中部上方；所述的相机为三台，设置在实验水槽上对柔性水囊防波堤外表面进行拍摄；

所述的光源包含不透光灯罩，所述灯罩在投射到柔性水囊防波堤模型的方向上开设有一线形缝隙，使光源投射到防波堤模型上形成一条光带。

2.根据权利要求1所述的底面固定式柔性水囊防波堤断面变形监测实验装置，其特征在于所述的相机为高速相机，三台相机同步拍摄；三台相机镜头中心距柔性水囊防波堤模型外表面的距离相同，且三台相机镜头中心和防波堤侧面半圆圆心连线与底面所形成的夹角不同，其中，左右两台相机所形成的夹角为30°，中间台相机夹角为90°。

3.根据权利要求1或2所述的底面固定式柔性水囊防波堤断面变形监测实验装置，其特征在于所述的光源距试验水槽水面高度为40-50cm。

4.根据权利要求1所述的底面固定式柔性水囊防波堤断面变形监测实验装置，其特征在于所述的柔性水囊防波堤模型为半圆柱状，内部注满水体，表面为柔性材料，可发生非线性变形。

5.一种底面固定式柔性水囊防波堤断面变形监测实验装置，其特征在于包括实验水槽、柔性水囊防波堤模型、光源和相机；

所述的柔性水囊防波堤模型固定在实验水槽的内底面上，所述的柔性水囊防波堤模型底面和水槽底部为透明材质；光源设置在柔性水囊防波堤模型中部正下方；所述的相机设置在柔性水囊防波堤模型端面对防波堤模型内表面进行拍摄；

所述的光源包含不透光灯罩，所述灯罩在投射到柔性水囊防波堤模型的方向上开设有一线形缝隙，使光源投射到防波堤模型上形成一条光带。

6.根据权利要求5所述的底面固定式柔性水囊防波堤断面变形监测实验装置，其特征在于所述的相机为高速相机，其位于水槽侧壁上，处于柔性水囊防波堤对称面上，距防波堤底部为防波堤高度一半。

7.根据权利要求1所述的底面固定式柔性水囊防波堤断面变形监测实验装置，其特征在于所述的柔性水囊防波堤模型为半圆柱状，内部注满水体，弧形外表面为柔性材料，其它三面可选用透明钢化玻璃，也可选用薄钢板。

8.根据权利要求1或5所述的底面固定式柔性水囊防波堤断面变形监测实验装置，其特征在于所述的光源为白炽灯，功率60W及以上。

9.根据权利要求1或5所述的底面固定式柔性水囊防波堤断面变形监测实验装置，其特征在于所述的实验水槽侧面为透明玻璃。

10.根据权利要求1或5所述的底面固定式柔性水囊防波堤断面变形监测实验装置，其特征在于所述的光带宽度为5mm-10mm；光带位于防波堤外表面或内表面中部，光带平行于水槽侧壁。