专利名称：垂直循环水流的风流浪试验装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及海洋环境试验装置，特别是涉及一种采用旋桨驱动水流垂直循环的风流浪试验装置。
技术背景 在海洋开发过程中，海洋环境监测技术、海洋能开发利用技术等高新技术的研究和发展是促进海洋可持续开发利用的重要环节。然而，海洋环境是多变和复杂的，海流、风、波浪等要素直接作用于海洋环境监测仪器设备与海洋能发电装置之上，影响设备的安全运行和稳定性。因此，在海洋环境监测仪器设备和海洋能发电装置研制过程中，室内模拟试验是重要的研究手段之一，通过室内海洋环境试验装置可再现海洋环境，验证海洋监测仪器设备和海洋能发电装置的技术指标和环境适应性，为其技术发展提供科学依据，促进海洋高新科技研发成果的产业化进程。目前，能够产生风流浪的室内海洋环境试验装置，基本由形成水平循环水流的水流试验水槽与造风装置和造波装置组合而成，水流试验水槽是装置的主要构成部分。然而， 现有水平循环水流的试验水槽主要包括两种工作方式，水泵驱动或旋桨驱动。在高流速、大流量工况下，水泵驱动方式消耗电机功率较大，增加试验成本。电机带动旋桨驱动的水平循环水流方式，试验设施占地面积太多，目前多为小规模设施。然而，小规模设施试验水槽中混流段短，试验区域不容易形成稳定的流场，影响试验数据的真实性。
发明内容针对现有技术的海洋环境试验装置的水流试验水槽所存在的问题，本实用新型推出垂直循环水流的风流浪试验装置，将垂直循环水流试验水槽与造风装置和造波装置结合起来，提供在高流速、大流量工况下实现低功耗运转、同时减少试验设施占地面积的海洋环境试验装置，便于进行海洋环境监测仪器设备和海洋能发电装置的风流浪模拟海洋动力环境试验。本实用新型所涉及的垂直循环水流的风流浪试验装置包括水流试验水槽、造风装置、造波机和采集控制系统。造风装置设置在水流试验水槽上部，造波机设置在水流试验水槽内的水流中，水流试验水槽的水流驱动系统、造风装置、造波机与采集控制系统的计算机连接。水流试验水槽包括水槽本体、循环管道、水流驱动系统。水槽本体呈长方体形状，固定在底座上，内部充满水流，水槽本体壳体两端为钢筋混凝土结构，中间试验区域的壳体顶面和两侧为钢化玻璃，便于观察水槽本体内试验过程。循环管道设置在水槽本体下部的底座内，循环管道位于水槽本体正下方。循环管道为密封管道，分段设计，每段两端设有法兰，法兰用螺栓连接，连接处填充密封材料。循环管道两端形成向上的弯管，两端的弯管分别与水槽本体两侧端下部的出水口和进水口连通。水槽本体两侧端下部的出水口和进水口分别设置格栅整流装置。水槽本体与循环管道形成内部连通的水流垂直循环回路 水流驱动系统包括水流驱动电机和旋桨，水流驱动电机安装在水槽本体下部的底座上，水流驱动电机和旋桨同轴连接。水流驱动电机设置在水槽本体出水口下方的循环管道外侧，旋桨设置在循环管道内的水流中。电机轴沿循环管道中轴线穿过循环管道管壁连接旋桨，电机轴与循环管道管壁动密封连接。造风装置包括风机、风室、风道。风机置于风室内，风室与风道连通。风室呈圆筒状，垂直设置在水槽本体壳体一侧的顶部。风室下端口与水槽本体内部连通，风室上端的出风口与外部相通，风机置于圆筒状风室的下部。风室下端口与水槽本体壳体另一侧顶部的进风口之间形成风道，进风口与水槽本体外部相通。风道形成在水槽本体内循环水流的水面之上，置于水面与水槽本体的壳体顶面之间。造波机设置在风道进风口一侧的水槽本体的壳体端部，包括造波机电机、丝杠、丝母和推板。造波机电机安装在水槽本体端部的钢筋混凝土结构上，造波机电机输出轴连接丝杠一端，丝杠另一端插入推板上安装的丝母内，丝杠外螺纹与丝母内螺纹啮合，推板垂直设置在水槽本体内的水中。造波机电机带动丝杠转动，通过丝母将回转运动转变为直线运动，推动推板平移。当造波机电机不断进行正转和反转运动时，推板将随之进行直线往复运动，不断将能量传递给水槽内的水体，产生波浪。采集控制系统包括风速仪、浪高仪、流量流速测量仪、变频器和计算机。风速仪设置在水槽本体内循环水流之上的风道内，浪高仪和流量流速测量仪设置在水槽本体内的水中，风速仪、浪高仪、流量流速测量仪分别与采集控制系统的计算机连接，计算机连接变频器。变频器分别连接造风装置风机、水流驱动系统的水流驱动电机和造波机电机。当进行风浪流综合试验时，首先在采集控制系统的计算机中设定风速、流速和波浪参数，变频器根据设定参数确定造风装置、造波机和水流驱动系统各自的电机转速，然后加电启动电机。水流驱动电机带动旋桨转动，使水体沿水槽本体与循环管道形成的水流垂直循环回路流动。风机转动产生风，风从进风口进入水槽本体内，经风道、风室下端口和风室，从风室上端的出风口吹出。造波机电机的正反转动带动推板作直线往复运动，推动水槽内流动的水体产生波浪。在试验过程中，风速仪测量风速、波高仪测量波浪高度、流量流速测量仪测量水的流速，测量数值输入计算机，计算机通过变频器自动控制与调节电机转速，从而使试验水槽中的风、浪、流参数稳定在预设数值范围内。本实用新型所涉及的垂直循环水流的风流浪试验装置能够在实现大流量、低功耗、高流速的情况下，利用造风装置生成风、利用造波机产生波浪，在实验室内模拟海洋环境中风浪流变化的真实情况，为海洋环境监测仪器设备和海洋能发电装置开展风、浪、流动力环境的试验，提供了可靠的技术手段。
图1为本实用新型涉及的垂直循环水流的风流浪试验装置的结构示意图。图中标记说明1、水槽本体2、出水口[0021]3、水流驱动电机4、旋桨
5、循环管道6、底座7、进水口8、推板9、造波机电机10、丝杠11、进风口12、水流13、风道14、浪高仪15、流量流速测量仪 16、风速仪17、风室18、风机19、出风口。
具体实施方式
现结合附图对本实用新型的技术方案做进一步描述。图1显示垂直循环水流的风流浪试验装置的基本结构，如图所示，垂直循环水流的风流浪试验装置包括水流试验水槽、 造风装置、造波机和采集控制系统。水流试验水槽包括水槽本体1、循环管道5和水流驱动系统。水槽本体1呈长方体形状，固定在底座6上，内部充满水，水槽本体1壳体两端为钢筋混凝土结构，中间试验区域的壳体顶面和两侧为钢化玻璃。循环管道5设置在水槽本体1下部的底座6内，位于水槽本体1的正下方。循环管道5两端形成向上的弯管，两端的弯管分别与水槽本体1两侧端下部的出水口 2和进水口 7连通。水槽本体1与循环管道形成内部连通的水流垂直循环回路。水流驱动系统包括水流驱动电机3和旋桨4，水流驱动电机3安装在水槽本体1下部的底座6上，水流驱动电机3和旋桨4同轴连接。水流驱动电机3设置在水槽本体1的出水口 2下方的循环管道5的外侧，旋桨4设置在循环管道5内的水流中。水流驱动电机 3的电机轴沿循环管道5的中轴线穿过循环管道5管壁连接旋桨4，水流驱动电机3的电机轴与循环管道5管壁动密封连接。造风装置包括风机18、风室17和风道13。风机18置于风室17内，风室17与风道13连通。风室17呈圆筒状，垂直设置在水槽本体1壳体一侧的顶部。风室17上端的出风口 19与外部大气相通，风室17下端口与水槽本体1内部风道13连通。风道形成在水槽本体1内循环水流12的水面之上，置于水面与水槽本体1的壳体顶面之间。进风口 10与出风口 19相对应，位于风道13的另一侧，与外部大气相通。造波机设置在风道进风口 11 一侧的水槽本体1的壳体端部，包括造波机电机9、丝杠10、丝母和推板8。造波机电机9安装在水槽本体1端部的钢筋混凝土结构上，造波机电机9输出轴连接丝杠10的一端，丝杠10的另一端插入安装在推板8上的丝母内，丝杠10 的外螺纹与丝母内螺纹啮合，推板8垂直设置在水槽本体1内的水流12中。电机9带动丝杠10转动，通过丝母将回转运动转变为直线运动，推动推板8平移。当电机9不断进行正转和反转运动时，推板8将随之进行直线往复运动，使水槽内的水体产生波浪。采集控制系统包括风速仪16、浪高仪14、流量流速测量仪15、变频器和计算机。风速仪16设置在水槽本体1内循环水流12之上的风道13内，浪高仪14和流量流速测量仪 15设置在水槽本体1内的水流12中，风速仪16、浪高仪14、流量流速测量仪15分别与计算机连接，计算机连接变频 器。变频器分别连接造风装置风机18、水流驱动系统的电机3和造波机电机9。
权利要求1.一种垂直循环水流的风流浪试验装置，其特征在于包括水流试验水槽、造风装置、 造波机和采集控制系统，造风装置设置在水流试验水槽上部，造波机设置在水流试验水槽内的水流中，水流试验水槽的水流驱动系统、造风装置、造波机与采集控制系统的计算机连接；水流试验水槽包括水槽本体、循环管道、水流驱动系统，水槽本体内部充满水，循环管道设置在水槽本体下部的底座内；循环管道两端形成向上的弯管，两端的弯管分别与水槽本体两侧端下部的出水口和进水口连通，水槽本体与循环管道形成内部连通的水流垂直循环回路；水流驱动系统包括水流驱动电机和旋桨，水流驱动电机和旋桨同轴连接，旋桨设置在循环管道内的水流中；造风装置包括风机、风室、风道，风机置于风室内，风室与风道连通， 风室垂直设置在水槽本体壳体一侧的顶部，风室下端口与水槽本体内部连通，风室上端的出风口与外部相通，风室下端口与水槽本体壳体另一侧顶部的进风口之间形成风道，进风口与水槽本体外部相通；造波机设置在风道进风口一侧的水槽本体的壳体端部，包括造波机电机、丝杠、丝母和推板，造波机电机输出轴连接丝杠一端，丝杠另一端插入安装在推板上的丝母内，推板垂直设置在水槽本体内的水中；采集控制系统包括风速仪、浪高仪、流量流速测量仪和计算机，风速仪、浪高仪、流量流速测量仪分别与计算机连接。
2.根据权利要求1所述的垂直循环水流的风流浪试验装置，其特征在于水槽本体呈长方体形状，固定在底座上，水槽本体壳体两端为钢筋混凝土结构，中间试验区域的壳体顶面和两侧为钢化玻璃。
3.根据权利要求1所述的垂直循环水流的风流浪试验装置，其特征在于循环管道设置在水槽本体下部的底座内，循环管道位于水槽本体正下方；循环管道为密封管道，分段设计，每段两端设有法兰，法兰用螺栓连接，连接处填充密封材料。
4.根据权利要求1所述的垂直循环水流的风流浪试验装置，其特征在于水流驱动电机的电机轴沿循环管道中轴线穿过循环管道管壁连接旋桨，电机轴与循环管道管壁动密封连接。
5.根据权利要求1所述的垂直循环水流的风流浪试验装置，其特征在于风室下端口与水槽本体壳体另一侧顶部的进风口之间形成风道，风道形成在水槽本体内循环水流的水面之上，置于水面与水槽本体的壳体顶面之间。
6.根据权利要求1所述的垂直循环水流的风流浪试验装置，其特征在于造波机电机安装在水槽本体端部的钢筋混凝土结构上，造波机电机输出轴连接丝杠一端，丝杠另一端插入安装在推板上的丝母内，丝杠外螺纹与丝母内螺纹啮合。
7.根据权利要求1所述的垂直循环水流的风流浪试验装置，其特征在于采集控制系统包括风速仪、浪高仪、流量流速测量仪、变频器和计算机，风速仪设置在水槽本体内循环水流之上的风道内，浪高仪和流量流速测量仪设置在水槽本体内的水中，风速仪、浪高仪、 流量流速测量仪分别与采集控制系统的计算机连接，计算机连接变频器。
8.根据权利要求7所述的垂直循环水流的风流浪试验装置，其特征在于变频器分别连接造风装置风机、水流驱动系统的电机和造波机电机。
专利摘要本实用新型所涉及的垂直循环水流的风流浪试验装置包括水流试验水槽、造风装置、造波机和采集控制系统，水流试验水槽的水槽本体与循环管道形成内部连通的水流垂直循环回路，水槽本体内部充满水。水流试验水槽的水流驱动系统包括水流驱动电机和旋桨，水流驱动电机和旋桨同轴连接，旋桨设置在循环管道内的水流中。造风装置的风机置于风室内，风室下端口与水槽本体内部连通，风室下端口与水槽本体壳体另一侧顶部的进风口之间形成风道。造波机由电机带动推板作直线往复运动，推动水槽内流动的水体产生波浪。本实用新型在试验水槽中生成大流量、低功耗、高流速水流，为开展风、浪、流动力环境的试验提供可靠的技术手段。
文档编号G01M10/00GK202188950SQ20112032312
公开日2012年4月11日 申请日期2011年8月31日 优先权日2011年8月31日
发明者司惠民, 宋雨泽, 朱晓阳, 李彦, 李超, 杨宁, 杨磊, 熊焰, 王士一, 王春谊, 王花梅, 王项南, 石建军, 路宽 申请人:国家海洋技术中心