一种溃坝式甲板上浪模拟试验装置的制作方法

本发明涉及一种模拟试验装置，运用先进的可视化技术可对船模上浪时其附近的流场分布进行实时捕捉及测量甲板上浪引起的砰击载荷，主要涉及到流体力学，船舶安全分析等领域。

背景技术：

21世纪，人类进入了大规模开发和利用海洋的时期。与陆地环境不同的是海洋条件复杂，作为海洋建设载体的船舶、海上浮动核电站等，会长期遭受到由于波浪甲板上浪而产生的巨大冲击压力，严重的上浪冲击会破坏船舶上层结构和甲板，甚至导致船舶的沉没。甲板上浪是一种强非线性/大变形自由面两相流动现象，随着海洋开发进程的加快和海洋条件的恶劣化，由甲板上浪导致海上结构损害的现象时有发生，因此这种强非线性现象受到越来越多的关注。以往人们在进行甲板上浪试验时，大多旨在获取冲击载荷，能测量因素较为单一，不能进行综合试验。因此从机理入手研究甲板上浪内部流场与砰击压力之间的关系至关重要。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种具有较高精度，可以满足不同实验工况条件下，甲板上浪内部流场与砰击压力同步耦合测量，同时结构简单，设计巧妙、价格低廉，数据采集准确方便的溃坝式甲板上浪模拟试验装置。

本发明的目的是这样实现的：

一种溃坝式甲板上浪模拟试验装置，包括试验系统框架、试验本体、信息采集系统三个部分；所述试验系统框架包括不锈钢台架、不锈钢滑轨和铝合金支撑框架；所述试验本体包括有机玻璃水槽、将有机玻璃水槽一分为二的闸门、设置在有机玻璃水槽底部排水孔、放置在有机玻璃水槽内的有机玻璃试验船模，所述有机玻璃试验船模包括上部和下部、所述上部和下部通过螺栓连接，所述上部设置有压电传感器测压孔和船模注水及穿线孔，所述下部通过定位孔与有机玻璃水槽连接；所述信息采集系统包括光学升降平台、高速摄影仪、连续激光、光路调节小车、平面镜。

本发明还包括这样一些特征：

试验时采用有机玻璃制作一无盖的长方形箱体，用闸门将箱体分隔为左、右两个腔室，上腔室较小，在箱体底部设有排水孔和船模定位螺纹孔，之后将箱体固定在不锈钢制作的台架上，当上述工作准备就绪后，再在试验本体附近布置连续激光、相机，通过铝合金支撑框架和光学升降平台调节激光和相机到合适的位置并固定，之后通过光路调节小车的位置及平面镜的仰角来调节光路；使用时通过调节船模迎浪面和水箱左右腔室水位比，来模拟不同船艏角度和波浪条件下的甲板上浪情况，并通过压电传感器和piv系统获得甲板上浪试验数据；

所述船模的甲板及竖直挡板上安装有压电传感器；

通过更换船模底部螺纹孔的对应位置实现船艏90°、45°典型船模上浪工况。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明可以满足不同实验工况条件下，甲板上浪内部流场与砰击压力同步耦合测量。采用有机玻璃制造中空的船模，在试验时船模内部装满水，能有效避免因激光经过气液交界面产生的光路畸变对试验造成的影响。船模底部左右倾斜度分别为45°和90°，通过调节船模底部螺纹孔与水箱底部螺纹孔的配合方式，可调节船艏迎浪角度用于测量不同角度的上浪信息。通过底部打光方式的灵活调节可实现船模附近流场的连续测量。通过调节溃坝水位比及船艏角度可模拟多种上浪工况，操作方便、快捷，而且成本低廉。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的试验本体示意图；

图3是为本发明的船模结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明提供的是一种流场和压力耦合测量的船模甲板上浪试验装置。先进的可视化技术被用于到箱体和船模的制造当中，为piv技术提供了良好的应用环境。流场信息的捕捉是通过在液体内加入适量的示踪粒子，当片状激光射入装置内的液体时，示踪粒子通过反射激光来反映流场信息，最后被与采集系统相连的高速摄像机获取。压电传感器被通过螺纹连接的方式安装到船模上，传感器探头被拧至与船模壁面平齐，用来获取甲板上浪时的压力信息。其特征在于：采用有机玻璃制作长方形箱体水槽，并固定在不锈钢试验台架上；在水箱底部设置一个位置大小合适的排水口和若干位置大小适当的定位孔；在长方形箱体侧壁设置一个适当大小的凹槽，将用有机玻璃制作的闸门放进凹槽中，用该闸门将船模分隔成左、右两部分；采用有机玻璃制造透明船模，在船模上开设若干大小适当的压力测量孔、定位螺纹孔，并将船模与左部箱体通过螺栓固定；在船模上安装压电传感器；在船模附近布置piv测量系统；通过调节闸门左右箱体中水位比进行模拟试验，并通过观察和测量装置获得试验数据。所述箱体被插入凹槽的闸门分成左右两个腔室，为增加闸门的密封效果在凹槽中贴有厚度合适的硅胶垫，并在箱体底部留有排水孔和若干用于固定船模的螺纹孔。所述船模由上下两部分组成，中间用螺栓连接，通过更换船模底部螺纹孔的对应位置可实现船艏90°、45°典型船模上浪工况。所述船模甲板及竖直挡板上安装有压电传感器可以在不干扰流场的条件下实现砰击压力波动的精确测量。所述船模中空在试验时需要注满水，能有效降低光路穿过船模产生的畸变，极大程度上保证了piv测量系统的准确度。本发明还可以包括：水箱通过长宽比的适当选取可以用于模拟二维甲板上浪现象；基于水箱可视为二维，同时由于测压头的遮光影响，测量时通过错开激光面与压力采集平面来实现耦合测量；底部打光方式避免了激光穿过气水交界面的光强损失和光路畸变。

结合图1，本系统包括试验系统框架、试验本体、信息采集系统三个部分。其中试验系统框架主要包括不锈钢台架1不锈钢滑轨3铝合金支撑框架10；试验本体部分主要包括有机玻璃水槽2、闸门6、水槽底部排水孔11、水槽底部定位孔12、有机玻璃试验船模上部14、有机玻璃试验船模下部15、压电传感器测压孔13、船模上下部分连接螺栓16、船模注水及穿线孔17、和船模；信息采集系统包括光学升降平台9、高速摄影仪8、连续激光7、光路调节小车4、平面镜5。试验时采用有机玻璃制作一无盖的长方形箱体2，用闸门6将箱体分隔为左、右两个腔室，上腔室较小，在箱体2底部设有排水孔11和船模定位螺纹孔12(图1中未示出)，之后将箱体固定在不锈钢制作的台架1上。当上述工作准备就绪后，再在试验本体附近布置连续激光7、相机8，通过铝合金支撑框架10和光学升降平台9调节激光和相机到合适的位置并固定，之后通过光路调节小车4的位置及平面镜5的仰角来调节光路。使用时可通过调节船模迎浪面和水箱左右腔室水位比，来模拟不同船艏角度和波浪条件下的甲板上浪情况，并通过压电传感器和piv系统获得甲板上浪试验数据。

结合图2，有机玻璃水槽2内部放置了一船模，通过螺纹孔12将船模与箱体固定在一起，通过调节螺纹孔12对应的位置可以实现船模底部15迎浪角度在45°与90°之间切换。

结合图3，在本发明中，船模由上部14和底部15组成，两部分通过螺栓16连接，在船模上部开设了一系列的测压孔13，通过安装压电传感器可实现船模甲板及上层挡板上砰击压力的测量。船模底部中空，在甲板上留有一注水及穿线孔17，在试验时将船模中注满水可以避免激光透过船模时由于气水交界面的存在而产生的光路畸变。