一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置及其造波方法
【专利摘要】本发明公开一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置，包括计算机、数据采集模块、不规则波造波模块、连接杆、基座、固定在基座上的运动机构、台面和固定在台面上的液舱及粒子成像测速仪系统，粒子成像测速仪系统正对液舱的正面，所述不规则波造波模块与台面通过连接杆连接，台面在运动机构上平稳平移；所述装置还包括数字压力传感器、应变传感器、浪高仪、位移传感器和加速度传感器，数字压力传感器和应变传感器分别嵌入液舱内壁，浪高仪安装在液舱内部，位移传感器的一端和加速度传感器分别安装在台面上，位移传感器的另一端与基座固定。该装置能在小型室内精确模拟随机波浪作用下的液体晃荡。
【专利说明】一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置及其造波方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置及其造波方法，尤其涉及一 种船舶与海洋工程领域使用的液货船液舱在随机波浪激励下的液体晃荡小型室内模拟试 验及测量装置。
【背景技术】
[0002] 众所周知，海洋波浪属于随机波浪。因此，研究液舱内液体在随机波浪作用下的水 动力学特性是非常必要的，而模型试验是研究此问题比较可靠的方法。然而，目前的模型试 验研究主要集中在对简谐波激励下的液体晃荡研究上，对随机波浪激励下液舱内的非线性 液体晃荡特性研究还鲜有报道，仍需要开展大量的研究工作。通过模型试验不仅可以较全 面的观测液舱内晃荡波的生成、传播、演化及与舱内壁的作用规律等水动力学特性，也可为 深入了解随机波浪作用下的晃荡冲击压力分布规律及液舱内复杂的流场信息，对探索减小 舱内液体晃荡的有效措施，提升大型液货船的设计理念具有十分重要的理论意义和工程应 用价值。但是，目前的模型试验设备并不能提供一种精确模拟随机波浪作用下液体晃荡特 性的室内小型模拟装置及其造波方法，这给基于试验手段模拟真实海况作用下的液舱内液 体晃荡波特性带来了困难和挑战。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的，在于提供一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置及其造波方 法，能在小型室内精确模拟随机波浪作用下的液体晃荡。
[0004] 为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
[0005] -种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置，其特征在于：包括计算机、数据采集模 块、不规则波造波模块、连接杆、基座、固定在基座上的运动机构、台面、液舱和粒子成像测 速仪系统，液舱和粒子成像测速仪系统固定在台面上且粒子成像测速仪系统正对液舱的正 面，所述的计算机直接与不规则波造波模块连接，所述不规则波造波模块与台面通过连接 杆连接，台面在运动机构上平稳平移；所述装置还包括数字压力传感器、应变传感器、浪高 仪、位移传感器和加速度传感器，数字压力传感器和应变传感器分别嵌入液舱内壁，浪高仪 安装在液舱内部，位移传感器的一端和加速度传感器分别安装在台面上，位移传感器的另 一端固定在基座上；所述数字压力传感器、应变传感器、浪高仪、位移传感器和加速度传感 器分别通过数据采集模块与计算机连接。
[0006] 进一步的，所述不规则波造波模块包括控制端口、运动控制卡、复位控制器、伺服 控制驱动器、伺服电机和机械构件，所述控制端口的输入端连接计算机，控制端口的输出端 连接运动控制卡的输入端，运动控制卡的输出端分别连接复位控制器和伺服控制驱动器的 输入端，伺服控制驱动器控制伺服电机的启动与停止，复位控制器通过伺服电机实时监控 机械构件的移动位置，机械构件与前述连接杆连接。
[0007] 进一步的，基座还包括L型固定杆，该L型固定杆包括横杆与坚杆，所述横杆的一 端与坚杆的一端连接，横杆另一端固定于基座靠近位移传感器的一端，使得位移传感器的 另一端抵靠并固定于L型固定杆的坚杆上。
[0008] 进一步的，所述运动机构包括水平导轨和两个滑块，水平导轨固定安装在基座上， 且水平导轨两端设有防止滑块脱离水平导轨的固定卡，所述滑块嵌入水平导轨内，滑块顶 部与台面固定连接，两个滑块将台面长度平均分成三等分。
[0009] 本发明还提供一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置的造波方法，包括以下几 个步骤：
[0010] 步骤一：给定模拟随机波浪运动的时间t、有效波高扎和峰值周期τρ;已知 Bretschneider谱sjco)的表达式如下：
[0011]
【权利要求】
1. 一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置，其特征在于：包括计算机、数据采集模 块、不规则波造波模块、连接杆、基座、固定在基座上的运动机构、台面、液舱和粒子成像测 速仪系统，液舱和粒子成像测速仪系统固定在台面上且粒子成像测速仪系统正对液舱的正 面，所述的计算机直接与不规则波造波模块连接，所述不规则波造波模块与台面通过连接 杆连接，台面在运动机构上平稳平移；所述装置还包括数字压力传感器、应变传感器、浪高 仪、位移传感器和加速度传感器，数字压力传感器和应变传感器分别嵌入液舱内壁，浪高仪 安装在液舱内部，位移传感器的一端和加速度传感器分别安装在台面上，位移传感器的另 一端固定在基座上；所述数字压力传感器、应变传感器、浪高仪、位移传感器和加速度传感 器分别通过数据采集模块与计算机连接。
2. 如权利要求1所述的一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置，其特征在于：所述 不规则波造波模块包括控制端口、运动控制卡、复位控制器、伺服控制驱动器、伺服电机和 机械构件，所述控制端口的输入端连接计算机，控制端口的输出端连接运动控制卡的输入 端，运动控制卡的输出端分别连接复位控制器和伺服控制驱动器的输入端，伺服控制驱动 器控制伺服电机的启动与停止，复位控制器通过伺服电机实时监控机械构件的移动位置， 机械构件与前述连接杆连接。
3. 如权利要求1所述的一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置，其特征在于：基座 还包括L型固定杆，该L型固定杆包括横杆与坚杆，所述横杆的一端与坚杆的一端连接，横 杆另一端固定于基座靠近位移传感器的一端，使得位移传感器的另一端抵靠并固定于L型 固定杆的坚杆上。
4. 如权利要求1至3中任一项所述的一种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置，其特 征在于：所述运动机构包括水平导轨和两个滑块，水平导轨固定安装在基座上，且水平导轨 两端设有防止滑块脱离水平导轨的固定卡，所述滑块嵌入水平导轨内，滑块顶部与台面固 定连接，两个滑块将台面长度平均分成三等分。
5. -种模拟随机波浪作用下液体晃荡的装置的造波方法，其特征在于：包括以下几个 步骤： 步骤一：给定模拟随机波浪运动的时间t、有效波高氏和峰值周期Tp;已知Bretschneider谱sq (?)的表达式如下：
其中，峰值频率1
1W为圆频率； 由此得到由Nu个单色波叠加组成的波面高程n(t)的表达式：
这里Oi和供分别为第i个单色波的固有频率和相位，Nu为所有单色波的个数，Ai为 第i个单色波的幅度，由下式得
这里采用等分频率法，取
，[Wlj 〇H]为Bretschneider谱的频谱范围， 第i个单色波的相位的取值为[〇,2];频谱的高低频侧各略去总能量的y部分，这里y=0.002,则和由下式确定：
步骤二：依据线性造波理论，台面的水平速度由下式获得：
其中，SqOi)是对应Bretschneider谱中第i个单色波的固有频率COi的能谱密度值，Oi = 〇1+(；[-1)A?Q为整数且 1 彡i彡Nu); 因此，台面的水平运动速度表示为：
最终在上述水平速度的激励下，液舱内液体随台面的运动而受迫晃动。
【文档编号】G01M10/00GK104266819SQ201410447423
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月3日 优先权日:2014年9月3日
【发明者】薛米安, 郑金海, 林鹏智 申请人:河海大学