一种底面固定式柔性水囊防波堤结构水槽实验装置的制作方法

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结构水槽实验装置。

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消波效果的重要因素，各种类型的防波堤的消波机理也有所差异，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重力式可移动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，根据水槽结构形式的不同，针对于不同实验模型、不同实验工况，分别有着不一样的实验方法和手段。对于水泥壁面波浪水槽，一般可以采用在水槽外搭架子或者在水槽内安装螺丝钉之类的方式对相应仪器设备和物理模型进行固定；而对于玻璃壁面波浪水槽，因其壁面全为玻璃，所以对水槽进行打钻安装螺丝钉的方式就不太合适。所以，在玻璃壁面波浪水槽中，仪器设备一般采用在水槽外搭铁架以进行相应的布置和安装。而对于潜堤实验模型等，一般依靠实验模型自身的重力来增大与地面的静摩擦力，从而达到使其在地面固定的目的。但，当模型自身结构重量较小时，无法使其在相应实验工况下，达到底面无滑移的目标。在玻璃壁面波浪水槽中，针对于这一问题，始终没有一个好的解决方式。

技术实现要素：

针对于底面固定式柔性水囊防波堤水槽实验装置存在的上述问题，为了研究新型防波堤在降低经济成本的同时是否能够达到所需的消浪效果，为了保证底面固定式柔性水囊防波堤模型在玻璃波浪水槽中不发生底面滑移，本发明提供了一种底面固定式柔性水囊防波堤结构水槽实验装置。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

本发明的底面固定式柔性水囊防波堤结构水槽实验装置包括玻璃波浪水槽、柔性水囊防波堤模型、第一配重板、浪高仪和水压监测器；

所述的柔性水囊防波堤模型设置在玻璃波浪水槽内；其前后两侧各设有一块第一配重板，第一配重板与柔性水囊防波堤模型之间通过金属丝连接；浪高仪设置在柔性水囊防波堤模型的前后两侧；水压监测器设置在柔性水囊防波堤模型内部；所述的柔性水囊防波堤模型底部设置有第二配重板。

进一步的，所述的柔性水囊防波堤模型包括橡胶薄膜和至少两个支架，所述的支架与第二配重板相连，橡胶薄膜包裹在支架上形成密闭结构，所述密闭结构内部空腔充满水。

进一步的，所述的支架为矩形支架，所述的矩形支架设有倒角。

进一步的，所述的防波堤模型的一端设有一进出水口，顶面设有水压监测器；防波堤内部用内部隔层隔出若干个区域。

进一步的，所述的防波堤模型两端处设有与金属丝相连的连接环，连接环距底面位置为整个防波堤高度三分之二；所述的第一配重板设有与金属丝相连的连接环。

进一步的，两块第一配重板完全相同；第一配重板的长度与玻璃波浪水槽宽度相同或相近，第一配重板的宽度大于等于两倍的防波堤模型宽度。

进一步的，第一配重板距离防波堤模型的距离大于等于两倍的防波堤模型宽度；所述的第一配重板的厚度小于等于10mm。

进一步的，所述的浪高仪设置在距防波堤模型前后1.5m处；单侧波高仪布置数量既可是单个，也可以是多个；当单侧浪高仪数量为多个时，浪高仪布置间隔大于等于0.5m。

本发明的有益效果在于：

1、本发明解决了如何在玻璃波浪水槽中，对柔性水囊防波堤实验模型底面进行固定的问题。一般，在类似的模型实验中，比如潜堤模型试验，可以在模型内部空腔进行重物加载，增加整个模型的重量，使其在进行实验过程中底面不会产生滑移。而本发明所针对的柔性水囊防波堤模型，其结构内部空腔需要充满液体，无法通过在其内部进行加载来增加整个结构的重量。因此，只有通过外部装置使其稳稳的固定在水槽底面上。而在玻璃波浪水槽中，其底面玻璃表面本身就是光滑表面，这更是加大了此实验的难度。所以，无法解决底面滑移问题，无论是潜堤还是此柔性水囊防波堤结构模型，水槽实验都无法顺利进行。

本发明就正是针对于以上所述的困难所提出的新的实验装置方案。

2、本发明所采用的放置于水槽底面的薄钢板对流场的影响可忽略不计。因此，可以达到减小实验误差的目的。

底面固定式柔性水囊防波堤结构水槽实验无法在其柔性表面对其加固。由于对入射波和反射波有影响，因此，也不太适合从水槽上面搭铁架对其进行加固。所以，考虑到既能顺利解决加固问题，又能将对流场的影响降到最低，设计出了本发明的实验装置。

3、本发明所提出的实验装置结构简单，安装方便，且使用效果可靠，因此，本发明的可复制性较强，可以推广到其它类似水槽实验装置中去。本发明通过配重板加金属丝的加固结构，能够妥善可靠的解决柔性水囊防波堤结构底面滑移问题。所用材料简单易得，实验装置结构简单，特别具有实用性。因此，本发明的实验装置可操作性、可重复性很强。

附图说明

图1为本发明实验整体布置简易三维示意图

图2为本发明水囊防波堤实验模型框架图·

图3为本发明实验整体布置侧视图

图4为本发明所用薄钢板示意图

图中：1—薄钢板，2—细钢丝，3—水囊防波堤模型框架，4—水囊防波堤模型内部隔层，5—水囊防波堤模型，6—浪高仪，7—水囊进出水口，8—水压监测器，9—钢丝连接环，10—矩形铁架。11—配重钢板。

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。

参见图1至图4，本发明为一物理模型实验装置，重点在于解决柔性水囊防波堤在玻璃波浪水槽中如何固定的问题，包括玻璃波浪水槽、柔性水囊防波堤模型、第一配重板、浪高仪和水压监测器；所述的柔性水囊防波堤模型设置在玻璃波浪水槽内；其前后两侧各设有一块第一配重板，第一配重板与柔性水囊防波堤模型之间通过金属丝连接；浪高仪设置在柔性水囊防波堤模型的前后两侧；水压监测器设置在柔性水囊防波堤模型内部；所述的柔性水囊防波堤模型底部设置有第二配重板。

在本发明的一个具体实施例中，装置按如下步骤搭建和试验：

步骤一：实验模型制作

该实验模型的特点在于其表面为柔性橡胶材料，无一个稳固形态。

因此，首先要搭建一个模型框架，将橡胶薄膜覆盖在水囊防波堤模型框架3上。如图2，水囊防波堤模型框架3由两根矩形铁架10和一块配重钢板11焊接而成。其中，每根矩形铁架10都焊接有两个用来连接细钢丝2的钢丝连接环9，钢丝连接环9焊接在矩形铁架10上距地三分之二高度处。

然后，将一整块面积足够大的橡胶薄膜覆盖到水囊防波堤模型框架3上，并进行修剪。其中，橡胶薄膜与水囊防波堤模型框架3的固定方式可选用强力胶水粘固。随后，在薄膜表面相应位置裁剪出水囊进出水口7和水压检测器8所需要的大小，并进行水囊进出水口7的水密工作和水压检测器8的安装工作。

之后，通过水囊侧面开口进行水囊防波堤模型内部隔层4的安装。隔层将水囊内部区域划分成四部分，隔层可用强力胶进行粘固。水囊侧面开口可选用合适大小的玻璃进行粘固密封，也可用剩余橡胶进行粘固密封。

最后，将水囊按照所需实验工况条件，通过水囊进出水口7向内部注水，通过水压检测器8观测水囊内部水压。工作完成后，进行水密处理，并将水囊模型放置到实验水槽合适的区域。

步骤二：实验模型固定及浪高仪安装

在距防波堤前后两倍及以上防波堤宽度的距离处放置薄钢板1。需注意，薄钢板1上焊接有钢丝连接环9的一边应为靠近防波堤的一边，两块薄钢板1与防波堤应形成对称布置。之后，将四根细钢丝2分别将水囊防波堤模型5与薄钢板1进行连接。需注意，四根细钢丝2应当处于绷紧状态，四根细钢丝2此时的拉应力是相当的。最后，在玻璃波浪水槽上方通过搭铁架的方式安装波高仪6。波高仪6应安装在距防波堤前后1.5m处。如安装多个波高仪6，其每个波高仪6间距应在0.5m及以上。

步骤三：检查实验装置进行实验

在开始实验之前，对整个实验装置进行最后的检查是必不可少的步骤。首先应当检查实验设备和仪器是否安装到位，其连接处是否牢固。然后，相应的监测仪器状态是否正常，能否正常工作并读取数据。最后，根据所设工况造波进行实验。

在本发明的另一个具体实施例中，第一配重板和第二配置板均为薄钢板，金属丝选为钢丝。将橡胶薄膜包裹在矩形铁架上，构成了柔性水囊防波堤模型的主要部分，其内部空腔充满水使整个防波堤的弧面为变形结构，故称之为柔性水囊。在防波堤结构的底部安装一配重钢板，增大整个结构的重力。在防波堤前后的地方分别放置一块薄钢板，并用细钢丝将钢板与防波堤连接，以提供防波堤一个向下的拉力，增大防波堤底面与玻璃波浪水槽地面间的静压力，达到避免防波堤底面发生滑移的目的。

其中，矩形铁架的棱角需进行倒角处理。并且，水囊防波堤需要用玻璃胶等其它相似材料进行水密处理。

进一步，在防波堤模型的一端靠底面位置设有一进出水口，顶面设有一水压监测器。防波堤内部用橡胶薄膜隔出四个区域，以达到增加波能耗散的目的。其中，防波堤端头处设有与细钢丝相连的连接环。连接环距底面位置为整个防波堤高度三分之二处。

进一步，为了解决此水槽实验最大的困难，即防波堤底面不发生滑移的问题，本发明除了在防波堤底部增加一块钢板外，还在其前后位置分别放有一块，在尽量不影响所造波浪的情况下，给予防波堤斜向下的拉力。这是本发明的主要创新点。

其中，前后两块薄钢板厚度一般不超过10mm，钢板长度与水槽宽度相近，钢板宽度优选两倍防波堤宽度及以上。在薄钢板朝向防波堤一端焊接有钢丝连接环，以方便钢丝的连接。需要注意的是，两块钢板规格相同。

进一步，当波浪作用在防波堤上时，防波堤受波浪力作用会有一个发生位移的趋势。本发明的关键点就在于，通过在水槽底面布放两块对称钢板，并用钢丝使其与防波堤相连，使钢板对防波堤产生一个向下的牵引力，增加防波堤与水槽间的最大静摩擦力，从而达到防止防波堤底面滑移的目的。选用薄钢板，是为了在满足所需板重的同时，还能尽可能的减小因为其几何尺度而带来的对流场的影响，从而减小实验误差。

进一步，距防波堤前后1.5m处布置有浪高仪。单侧波高仪布置数量既可是单个，也可以是多个。特别的，当浪高仪数量为多个时，浪高仪布置间隔可定为0.5m及以上。