一种用于跨海大桥类圆柱体桥墩的电磁减振装置的制作方法

本发明属于水利工程技术领域，涉及一种用于跨海大桥类圆柱体桥墩的电磁减振装置。

背景技术：

随着我国经济实力和海峡两岸商品货物交流的不断增强，能够提供便捷交通走廊的跨海大桥，已在我国得到迅猛的发展。桥墩作为大桥的重要组成部分，其作用是将上部载荷可靠而有效地传给桥梁基础，因此，桥墩的安全与大桥的高效运行直接相关，保护桥墩也成为维护大桥的重要环节。

类圆柱体桥墩是一种常见的大桥桥墩，其形状比较适合海流通过，可减少对海流的阻力。然而，海流流经桥墩时，桥墩两侧边界层分离会产生交替脱落的漩涡，交替性脱落的漩涡对桥墩产生脉动升阻力，使桥墩产生所谓的涡生振荡。这种流固耦合现象不仅会对桥墩周围的流场产生影响，使船舶与桥墩相撞的事故更易发生，而且还会导致桥墩本身结构的疲劳损伤、断裂以及桥墩冲刷等问题。而这恰恰不是人们所期望的。因此，有效地控制其绕流流场对桥墩防护工程具有重要的意义。

类圆柱体桥墩的主要部分是一种大尺度圆柱体结构，圆柱体、圆台体、圆端体等桥墩都属于类圆柱体桥墩。目前，对圆柱绕流流场控制的方法主要有被动式和主动式两类控制方法。被动式控制方法不需要向流场输入能量，但需要附加狭缝板、肋条等其他装置，如公开号为CN101970760A，名为“桥墩基础结构物的防冲刷装置”的发明专利，就公开了一种由设置在桥墩地面的防冲刷装置、分流台、潜水堰等构成防冲刷的保护装置；其中防冲刷装置可起到防止桥墩外表面与河川流水起摩擦等作用，分流台是河川流水迅速向桥墩基础结构物的后方流走。

然而，这种被动防护方式需要的劳力劳工较多，而且对外部流场的自适应能力较弱。主动式控制方法向流场输入能量，对外部流场的自适应较强。电磁力作为一种主动式控制方式，其原理是在钝体表面按照一定的方式排布电、磁极激励板，将其置于弱电解质(如海水)中，当电极通电后在弱电解质中形成电场并与永磁体产生的磁场相互作用，产生电磁力。电磁力作用于流经钝体的弱电解质流体，可以改变钝体的绕流流场特性。由此，电磁力可以抑制钝体绕流场的流动分离，改变尾涡结构，进而抑制其涡生振荡。另外，电磁力还可以减小钝体的阻力。由于电磁力是一种体积力，可直接向流场注入动量，不改变流体质量，而且具有无运动部件、可靠性高、易实现和响应速度快等特点，因此在工程应用上具有独特的优势。另外，海洋环境中有大量的可再生清洁能源，如潮汐能、风能、太阳能等，可为本发明中的装置提供所需的电能，符合21世纪节能减排、绿色环保的发展宗旨，具有较大的经济意义和社会意义。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于跨海大桥类圆柱体桥墩的电磁减振装置，该装置可以双向控制墩柱绕流流场，有效抑制桥墩两侧边界层分离产生的尾流漩涡，进而能够大幅度抑制类圆柱体桥墩的涡生振荡，同时，还具有一定的抗冲刷、抗海流冲击力等能力。

其具体技术方案为：

一种用于跨海大桥类圆柱体桥墩的电磁减振装置，包括电极1、永磁体2、磁极连接器3、电极连接器4、外壳5和电极控制器6，电极1通过磁极连接器3连接成环形，永磁体2通过电极连接器4连接成环形，电极1与永磁体2的厚度、内外径一致，同一环形的永磁体2中的两个半环形永磁体2的磁极是异性相对的，且相邻的两个环形永磁体2的上下极性分别异性相对，相邻两个电极1的极性相反，电极1外部设有外壳5，若干个环形电极1分别通过导线与电极控制器6连接。

进一步，所述电极1的材质为石墨。

进一步，所述电极控制器6的电源是潮汐能、风能、太阳能发电的直流电源，开关SW1和SW2联动，且同时处于正转或者是反转，SW1和SW2与正转导通时，反转截止，电流从V+-SW1-激励板-SW2-V-形成回路，电流正转；SW1和SW2与反转导通时，正转截止，电流从V—-SW2-激励板-SW1-V+形成回路，电流反转。当SW1和SW2置于断时，无闭合回路，电流为零，能实现对电极的双向控制，当海水逆流时也能发挥正向的电磁力控制作用。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)本发明的电磁极排布方式可提供稳定的流向电磁力，流向电磁力可以减小圆柱体边界层的厚度，增加表面摩擦力和推力，抑制圆柱体结构绕流场的流动分离，使其流动分离点后移，进而实现了海流作用下类圆柱体桥墩的减振目的。

(2)本发明的电磁极产生的电磁力可改变桥墩的尾流涡街的形态结构，而尾流漩涡是产生桥墩局部冲刷的诱因之一，因此有一定的抗冲刷能力。

(3)本发明的电磁级产生的电磁力可减小流动阻力，有一定的抗海流冲击力的能力。

(4)本发明的电极极性可变，进而对不同海流方向的海流作用有很好的适应性。

(5)本发明装置易装易拆，便于维护修缮。

(6)本发明利用的电能来自潮汐能、风能、太阳能等可再生清洁能源，绿色环保，节能减排。

附图说明

图1为一种用于跨海大桥类圆柱体桥墩的电磁减振装置的整体结构示意图；

图2为一种用于跨海大桥类圆柱体桥墩的电磁减振装置中磁体与电极的局部示意图，其中图2a为电极的截面图，图2b为永磁体的截面图，图2c为用于跨海大桥类圆柱体桥墩的电磁减振装置的截面图；

图3为一种用于跨海大桥类圆柱体桥墩的电磁减振装置的电极控制器的工作流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细地说明。

如图1所示，一种用于跨海大桥类圆柱体桥墩的电磁减振装置，包括电极1、永磁体2、磁极连接器3、电极连接器4、外壳5和电极控制器6，电极1通过磁极连接器3连接成环形，永磁体2通过电极连接器4连接成环形，电极1和永磁体2的数量根据实际使用情况决定。电极1与永磁体2的厚度、内外径一致，且两者的内径与所保护的桥墩外径一致。电极1和永磁体2均沿流向安装，并沿发向依次间隔排布在桥墩上。同一环形的永磁体2中的两个半环形永磁体2的磁极是异性相对的，且相邻的两个环形永磁体2的上下极性分别异性相对，相邻两个电极1的极性相反，当电极通电后，在海水(弱电解质)中会形成电场和磁场。环形电极1和环形永磁体2沿法向依次交替安装于桥墩上，由右手定则可知电场与永磁体产生的磁场相互作用产生的流向电磁力，并在电磁极交替处最大。流向电磁力可以改变桥墩绕流场的边界层结构，抑制桥墩体壁面处的流动分离。同时，电磁力作用下，压差阻力减小，而摩擦阻力增大，但压差阻力减小的速率远大于摩擦阻力增加的速率，因此桥墩的总阻力减小。

根据电磁力F的定义：F＝J×B，其中J为电极所产生的电流密度J＝σE+σ·u×B，B为磁场的磁感应强度。对于强电解质溶液，如液态金属、熔融半导体等，其电导率较高(σ～10⁶S/m)，磁场形成的电磁力就可以影响流体的流动，此时不需要外电场。对于海水这样的弱电解质溶液，则同时需要外加的电场和磁场，此时，电流密度方程右端第二项常可忽略。因此电磁力F＝σ(E×B)。永磁体中磁感应强度B一定，则电磁力的大小由电场强度E决定，也就是电机控制器6中的直流电压源的大小决定。

电极1、永磁体2分别如图2中截面1和截面2所示，这种装配方式的目的在于易装易拆，对设备的维护提供很大的便利。电极1外部设有外壳5以保护装置，若干个环形电极1分别通过导线与电极控制器6连接。

所述电极1的材质为石墨。

如图3所示，所述电极控制器6的电源是潮汐能、风能、太阳能发电的直流电源，开关SW1和SW2联动，且同时处于正转或者是反转，SW1和SW2与正转导通时，反转截止，电流从V+-SW1-激励板-SW2-V-形成回路，电流正转；SW1和SW2与反转导通时，正转截止，电流从V—-SW2-激励板-SW1-V+形成回路，电流反转。当SW1和SW2置于断时，无闭合回路，电流为零，能实现对电极的双向控制，当海水逆流时也能发挥正向的电磁力控制作用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，本发明的保护范围不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可显而易见地得到的技术方案的简单变化或等效替换均落入本发明的保护范围内。