一种全周向造消波水池的模拟方法及系统与流程

1.本发明涉及水动力性能测试技术领域，尤其涉及了一种全周向造消波水池的模拟方法及系统。


背景技术：

2.在水动力性能测试技术领域，对海工结构物和船舶的性能指标研究中，因实际使用环境复杂、实物建造成本巨大，无法进行实物性能指标的验证测试，常用方法是根据实物及其使用环境进行缩比试验，建设可以模拟自然环境的、包括风浪流等条件的试验水池，从而对试验结果进行优化和设计选型。
3.常规试验水池只能用不同的造波装置和消波装置实现波浪的产生与消除。随着科学技术的发展、实际产品的使用环境的扩展及自然环境的恶化，海工和船舶等海洋结构物使用环境更加复杂化，原先的试验水池已越来越不能满足试验需求。
4.传统单板造波机板与板之间存在间隙，造波时在波浪表面会产生锯齿形波，影响造波质量，同时传统单板造波机之间水体泄漏量高，造波效率低。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足，本发明的目的就在于提供了一种全周向造消波水池的模拟方法及系统，在全周向造消波水池内布置全周向造消波系统，实现造波和消波功能，进行全周向对真实海况和极端海况的模拟，实现了自然环境中可能出现的各种极限水动力工况的再现，为模型试验获得更可靠的测试数据提供了试验条件、拓展了试验验证范围和用途、提高了科研生产效率。
6.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种全周向造消波水池的模拟方法，包括如下步骤：
7.(1)选择最小谱峰周期tp，确定圆形水池或带圆角的矩形水池造波设备的系统参数；
8.(2)计算造波板宽，造波板宽的计算公式为：
[0009][0010]
其中，b为造波板宽度，单位为毫米(mm)；tp为谱峰周期，单位为秒(s)；g为重力加速度，单位为n/kg；
[0011]
(3)计算圆角曲率半径，圆角曲率半径的计算公式为：
[0012][0013]
其中，r为圆角曲率半径，单位为米(m)；tp为谱峰周期，单位为秒(s)；g为重力加速度，单位为n/kg；
[0014]
(4)计算圆形布置造波板数量，圆形布置造波板数量的计算公式为：
[0015][0016]
其中，n为圆形布置造波板数量；b为造波板宽度；r为圆角曲率半径；
[0017]
(5)将造波板之间进行无间隙柔性连接形成全周向造消波水池。
[0018]
本发明还提供了一种基于所述全周向造消波水池的系统，包括由若干造波单元连接形成的圆形水池或带圆角的矩形水池造波设备，所述造波单元包括若干造波板，相邻造波板之间无间隙柔性连接。
[0019]
作为一种优选方案，相邻所述造波单元水平摇轴呈直线或夹角布置，所述造波板为摇板，相邻摇板之间通过间隙防止板柔性连接；相邻所述间隙防止板转轴线交点与相邻摇板水平摇轴线交点重合于一点。
[0020]
作为一种优选方案，所述造波单元包括基座、第一摇板、第二摇板，所述基座的一端设置有第一摇轴架、第二摇轴架，第一摇轴架上固定设置有第一摇轴，第二摇轴架上固定设置有第二摇轴；所述第一摇板的底部套设于第一摇轴上，所述第二摇板的底部套设于第二摇轴上；所述间隙防止板设置于第一摇板、第二摇板之间。
[0021]
作为一种优选方案，所述间隙防止板包括扇状分布设置的第一扇形板、第二扇形板，第一扇形板的一直线边与第一摇板铰接，第二扇形板的一直线边与第二摇板铰接，第一扇形板、第二扇形板相邻的直线边呈阶梯状设置；所述第一扇形板、第二扇形板的底部通过旋转轴同轴连接，所述第一扇形板、第二扇形板的顶部通过限位器移动连接。
[0022]
作为一种优选方案，所述间隙防止板包括依次扇状分布设置的第一扇形板、中间扇形板、第二扇形板，所述第一扇形板的一直线边与第一摇板铰接，第二扇形板的一直线边与第二摇板铰接，中间扇形板呈阶梯状设置于第一扇形板、第二扇形板之间；所述第一扇形板、中间扇形板、第二扇形板的底部通过旋转轴同轴连接，第一扇形板、中间扇形板、第二扇形板的顶部通过限位器移动连接。
[0023]
作为一种优选方案，所述造波板为推板，相邻推板之间通过密封结构柔性连接。
[0024]
作为一种优选方案，所述造波单元包括第一推板、第二推板、转轴组件，所述第一推板与第二推板交替设置，所述第一推板的一侧部与相邻第二推板的侧部堆叠设置，所述第一推板的另一侧部与相邻第二推板之间形成间隙；所述转轴组件包括支撑转轴、轴承转轴，所述支撑转轴设置于间隙处，所述轴承转轴在轴向上套设于支撑转轴上，轴承转轴在径向上连接有第一滑移销、第二滑移销，所述第一推板沿第一滑移销长度方向上滑动，所述第二推板沿第二滑移销长度方向上滑动；所述密封结构设置于第一推板、第二推板与轴承转轴之间；所述密封结构包括第一密封圈、第二密封圈，所述第一密封圈设置于第一推板上，所述第二密封圈设置于第二推板上，第一密封圈、第二密封圈的外表面与轴承转轴相贴合。
[0025]
作为一种优选方案，所述支撑转轴包括多个同轴设置的转轴本体，所述轴承转轴的两端套设于相邻转轴本体之间。
[0026]
作为一种优选方案，所述转轴本体的端部设置有轴承轴套，所述轴承轴套与所述轴承转轴的端部之间设置有水轴承，所述水轴承的外表面与轴承轴套的内表面相接，所述水轴承的内表面与轴承转轴的外表面相接。
[0027]
与现有技术相比，本发明的有益效果：
[0028]
(1)本发明在全周向造消波水池内布置全周向造消波系统，实现造波和消波功能，进行全周向对真实海况和极端海况的模拟，实现了自然环境中可能出现的各种极限水动力工况的再现，为模型试验获得更可靠的测试数据提供了试验条件、拓展了试验验证范围和用途、提高了科研生产效率；
[0029]
(2)本发明实现了造波板间的自由移动，提高了隔水效果，减少了传统单板造波机之间水体泄漏量，提高了造波的效率，同时克服了传统单板造波机造波时在波浪表面产生的锯齿形波。
附图说明
[0030]
图1是本发明造波板宽度、谱峰周期及圆角曲率半径的关系图；
[0031]
图2是本发明中带圆角的矩形水池造波设备；
[0032]
图3是本发明中应用在摇板圆形水池的局部示意图；
[0033]
图4是本发明实施例2中造波单元的结构示意图一；
[0034]
图5是本发明实施例2中造波单元的结构示意图二；
[0035]
图6是本发明中图5的a处局部放大图；
[0036]
图7是本发明中应用在摇板矩形水池的局部示意图；
[0037]
图8是本发明实施例2中摇板摇角、相邻摇板夹角的关系图；
[0038]
图9是本发明实施例3中造波单元的结构示意图；
[0039]
图10是本发明实施例3中造波单元的局部俯视剖面图；
[0040]
图11是本发明实施例3中转轴组件的结构示意图；
[0041]
图12是本发明中图10的b处局部放大图；
[0042]
图13是本发明中应用在推板矩形水池的局部示意图；
[0043]
图14是本发明中应用在推板圆形水池的局部示意图；
[0044]
其中附图标识列表：第一曲线1、第二曲线2、第三曲线3、第四曲线4、第五曲线5、第六曲线6、第七曲线7、第八曲线8、造波单元9、造波板10、基座11、第一摇板12、第二摇板13、第一摇轴架14、第二摇轴架15、第一摇轴16、第二摇轴17、间隙防止板18、第一扇形板19、第二扇形板110、旋转轴111、限位器112、平行限位件113、第一垂直限位件114、第二垂直限位件115、第一平行限位槽116、第二平行限位槽117、第一限位部118、第二限位部119、中间扇形板120、平行限位槽121、第一摇板限位件122、第二摇板限位件123、钢索124、合页125、摇板矩形水池126、摇板圆形水池127、摇板128；第一推板21、第二推板22、转轴组件23、间隙24、支撑转轴25、轴承转轴26、第一滑移销27、第二滑移销28、第一密封圈29、第二密封圈210、第一滑块211、转轴本体212、轴承轴套213、水轴承214、第一螺栓215、第二螺栓216、轴套连杆217、悬挂支撑板218、转轴座219、推板架220、推板矩形水池221、推板圆形水池222。
具体实施方式
[0045]
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
[0046]
实施例1：
[0047]
一种全周向造消波水池的模拟方法，包括如下步骤：
[0048]
(1)选择最小谱峰周期tp，确定圆形水池或带圆角的矩形水池造波设备的系统参数；
[0049]
(2)计算造波板宽，造波板宽的计算公式为：
[0050][0051]
其中，b为造波板宽度，单位为毫米(mm)；tp为谱峰周期，单位为秒(s)；g为重力加速度，单位为n/kg；
[0052]
(3)计算圆角曲率半径，圆角曲率半径的计算公式为：
[0053][0054]
其中，r为圆角曲率半径，单位为米(m)；tp为谱峰周期，单位为秒(s)；g为重力加速度，单位为n/kg；
[0055]
(4)计算圆形布置造波板数量，圆形布置造波板数量的计算公式为：
[0056][0057]
其中，n为圆形布置造波板数量；b为造波板宽度；r为圆角曲率半径；
[0058]
(5)将造波板之间进行柔性连接形成全周向造消波水池。
[0059]
具体的，按图1所示为造波板宽度、谱峰周期及圆角曲率半径的关系图，第一曲线1为允许规则波最小周期，第二曲线2为允许斜向波最小谱峰周期，第三曲线3为水池圆角最小有效直径，根据图1选择最小谱峰周期tp，如图2、图3所示，确定圆形水池或带圆角的矩形水池造波设备的系统参数。
[0060]
实施例2：
[0061]
如图4～5所示，本发明还提供了一种基于所述全周向造消波水池的系统，包括由若干造波单元9连接形成的圆形水池或带圆角的矩形水池造波设备，所述造波单元9包括若干造波板10，相邻造波板10之间无间隙柔性连接。
[0062]
优选的，相邻所述造波单元9水平摇轴呈直线或夹角布置，所述造波板10为摇板128，相邻摇板128之间通过间隙防止板18柔性连接；相邻所述间隙防止板18转轴线交点与相邻摇板128水平摇轴线交点重合于一点。
[0063]
更为优选的，所述造波单元9包括基座11、第一摇板12、第二摇板13，所述基座11的一端设置有第一摇轴架14、第二摇轴架15，第一摇轴架14上固定设置有第一摇轴16，第二摇轴架15上固定设置有第二摇轴17；所述第一摇板12的底部套设于第一摇轴16上，所述第二摇板13的底部套设于第二摇轴17上；所述间隙防止板18设置于第一摇板12、第二摇板13之间。
[0064]
更为优选的，所述间隙防止板18包括扇状分布设置的第一扇形板19、第二扇形板110，第一扇形板19的一直线边与第一摇板12铰接，第二扇形板110的一直线边与第二摇板13铰接，第一扇形板19、第二扇形板110相邻的直线边呈阶梯状设置；所述第一扇形板19、第
二扇形板110的底部通过旋转轴111同轴连接，所述第一扇形板19、第二扇形板110的顶部通过限位器112移动连接。
[0065]
具体的，所述摇板128为等腰梯形体，扇形板顶角的计算公式为：
[0066][0067][0068]
其中，为扇形板顶角；α为相邻摇板转轴夹角；h为摇板的高度；b为摇板的下底长；bt为摇板的上底长；e为摇板形斜边在下底边的投影长度。
[0069]
更为具体的，扇形板圆锥半角的计算公式为：
[0070][0071][0072][0073]
其中，θn为扇形板圆锥半角，n＝2,3
……
；为扇形板顶角；h为摇板的高度；α为相邻摇板转轴夹角；βn为第一摇板摇摆角；γn为第二摇板摇摆角；b为摇板的下底长；bt为摇板的上底长；l为摇板形斜边长；e为摇板形斜边在下底边的投影长度。
[0074]
如图6所示，具体的，所述限位器112包括平行限位件113、第一垂直限位件114、第二垂直限位件115，所述第一扇形板19的顶部设置有第一平行限位槽116，第二扇形板110的顶部设置有第二平行限位槽117，所述第一垂直限位件114的一端贯穿第一平行限位槽116内并延伸出第一限位部118，第二垂直限位件115的一端贯穿第二平行限位槽117内并延伸出第二限位部119，第一垂直限位件114的另一端与平行限位件113的一端垂直连接，第二垂直限位件115的另一端与平行限位件113的另一端垂直连接。
[0075]
更为优选的，所述间隙防止板18包括依次扇状分布设置的第一扇形板19、中间扇形板120、第二扇形板110，所述第一扇形板19的一直线边与第一摇板12铰接，第二扇形板110的一直线边与第二摇板13铰接，中间扇形板120呈阶梯状设置于第一扇形板19、第二扇形板110之间；所述第一扇形板19、中间扇形板120、第二扇形板110的底部通过旋转轴111同轴连接，第一扇形板19、中间扇形板120、第二扇形板110的顶部通过限位器112移动连接。
[0076]
具体的，所述中间扇形板120至少有两个，中间扇形板120呈扇状分布设置于第一扇形板19、第二扇形板110之间，相邻中间扇形板120的底部通过旋转轴111同轴连接，相邻中间扇形板120的顶部通过限位器112移动连接。
[0077]
更为具体的，所述限位器112的第一垂直限位件114、第二垂直限位件115分别设置于相邻扇形板的平行限位槽121内，限位器112的平行限位件113连接第一垂直限位件114、第二垂直限位件115。
[0078]
具体的，所述第一摇板12的顶部设置有第一摇板限位件122、第二摇板13的顶部设置有第二摇板限位件123，第一摇板限位件122的固定端转动连接于第一摇板12上，第二摇
板限位件123的固定端转动连接于第二摇板13上，第一摇板限位件122的自由端、第二摇板限位件123的自由端通过钢索124限位连接。
[0079]
具体的，所述间隙防止板18通过合页125铰接于第一摇板12、第二摇板13上。
[0080]
在本实施例中，所述第一扇形板19的直线边通过合页125铰接于第一摇板12上，第二扇形板110的直线边通过合页125铰接于第二摇板13上，中间扇形板120有两个，其中一个中间扇形板120通过限位器112与第一扇形板19限位连接，另一个中间扇形板120通过限位器112与第二扇形板110限位连接，两个中间扇形板120通过限位器112限位连接。
[0081]
进一步的，通过限位器112的第一垂直限位件114、第二垂直限位件115在相邻扇形板的平行限位槽121内平行移动，限位器112的平行限位件113连接第一垂直限位件114、第二垂直限位件115，能够限定相邻扇形板之前的移动距离，其中第一垂直限位件114、第二垂直限位件115具有一定长度，能够使得相邻扇形板在垂直方向上限位移动。
[0082]
更进一步的，第一摇板12、第二摇板13之间通过第一摇板限位件122、第二摇板限位件123、钢索124限制了移动范围，从而可以防止摇板造波机设备的摇角过大，防止脱开。
[0083]
具体的，所述间隙防止板18上设置有塑料隔膜(图中并未示出)。
[0084]
进一步的，塑料隔膜采用高分子材料制成，该高分子材料具体可以为pvc材质。
[0085]
如图3、图7所示，具体实施时，通过在摇板矩形水池126或摇板圆形水池127的水池体内设置若干连续的基座11，基座11上设置摇板128，相邻摇板128通过钢索124连接在一起，相邻摇板128之间设置有间隙防止板18，从而能够达到自由移动和隔水效果。
[0086]
更为具体的，如图3所示的圆形水池，根据本发明实施例1中的模拟方法，得到水池有效水域半径r＝15m，造波板宽b＝0.5m，造波浸深1.6m，造波板高h＝2.4m，计算得出n＝188。
[0087]
对于摇板圆形水池127的水池体，计算摇板摇角、相邻摇板夹角的关系图如图8所示，其中第四曲线4为相邻摇板摇角相同，第五曲线5为所有摇板均在中位，第六曲线6为其中一块摇板保持中立，第七曲线7为其中一块摇板在最大位，第八曲线8为其中一块摇板在最小位，对于相邻摇板128摇角均为+24
°
时，摇板128间的夹角为3.261
°
；对于相邻摇板128摇角均为-24
°
时，摇板128间的夹角为4.025
°
；对于相邻摇板128间摇角不同时，摇板128间夹角变化与位置相关，允许的夹角大小与板间的扇形展开角相关。
[0088]
更为具体的，如图7所示为摇板矩形水池126的局部图，对于圆角处的布置按圆形水池的设计进行计算，一般圆角半径按7m处理，造波板宽b根据浪向角确定。
[0089]
实施例3：
[0090]
本实施例与实施例2的区别在于，所述造波板10为推板，相邻推板之间通过密封结构无间隙柔性连接。
[0091]
如图9～12所示，优选的，所述造波单元9包括第一推板21、第二推板22、转轴组件23，所述第一推板21与第二推板22交替设置，所述第一推板21的一侧部与相邻第二推板22的侧部堆叠设置，所述第一推板21的另一侧部与相邻第二推板22之间形成间隙24；所述转轴组件23包括支撑转轴25、轴承转轴26，所述支撑转轴25设置于间隙24处，所述轴承转轴26在轴向上套设于支撑转轴25上，轴承转轴26在径向上连接有第一滑移销27、第二滑移销28，所述第一推板21沿第一滑移销27长度方向上滑动，所述第二推板22沿第二滑移销28长度方向上滑动；所述密封结构设置于第一推板21、第二推板22与轴承转轴26之间；所述密封结构
包括第一密封圈29、第二密封圈210，所述第一密封圈29设置于第一推板21上，所述第二密封圈210设置于第二推板22上，第一密封圈29、第二密封圈210的外表面与轴承转轴26相贴合。
[0092]
具体的，所述第一推板21、第二推板22通过第一滑块211套设于第一滑移销27、第二滑移销28上。
[0093]
更为优选的，所述支撑转轴25包括多个同轴设置的转轴本体212，所述轴承转轴26的两端套设于相邻转轴本体212之间。
[0094]
具体的，本实施例中采用多个转轴本体212，多个轴承转轴26配合转轴本体212，从而多段位的控制第一推板21沿第一滑移销27长度方向上滑动，第二推板22沿第二滑移销28长度方向上滑动，提高了稳定性。
[0095]
更为优选的，所述转轴本体212的端部设置有轴承轴套213，所述轴承轴套213与所述轴承转轴26的端部之间设置有水轴承214，所述水轴承214的外表面与轴承轴套213的内表面相接，所述水轴承214的内表面与轴承转轴26的外表面相接。
[0096]
具体的，所述第一密封圈29通过第一螺栓215连接于第一推板21上，所述第二密封圈210通过第二螺栓216连接于第二推板22上；所述轴承轴套213与第一密封圈29、第二密封圈210相切，第一密封圈29、第二密封圈210位于轴承轴套213的轴线两侧。
[0097]
具体的，所述第一密封圈29、第二密封圈210与轴承轴套213的外表面相切，安装前预先组装第一密封圈29、第二密封圈210，安装时第一密封圈29通过第一螺栓215与第一推板21的预留孔(图中并未示出)紧固，第二密封圈210通过第二螺栓216与第二推板22的预留孔(图中并未示出)紧固。
[0098]
更为具体的，所述第一密封圈29、第二密封圈210呈p形状。
[0099]
更为优选的，所述轴承轴套213在径向上通过轴套连杆217连接有悬挂支撑板218。
[0100]
更为优选的，所述转轴本体212上设置有转轴座219，转轴本体212通过转轴座219与悬挂支撑板218相连接，所述悬挂支撑板218上连接有推板架220。
[0101]
具体的，在具体实施时驱动机构(图纸并未示出)推动推板架220，进而带动悬挂支撑板218对转轴本体212、轴承轴套213、轴承转轴26同步推动。
[0102]
更进一步的，可以采用现有的伺服电机、同步带结构作为驱动机构。
[0103]
如图13～14所示，具体实施时，通过在推板矩形水池221或推板圆形水池222的水池体内设置若干连续的推板架220，推板架220上设置悬挂支撑板218，悬挂支撑板218上设置转轴组件23，转轴组件23连接有第一滑移销27、第二滑移销28，驱动机构推动推板架220，带动悬挂支撑板218，进而使得第一推板21在第一滑移销27上移动，第二推板22在第二滑移销28上移动，所述第一推板21、第二推板22与转轴组件23之间设置有密封结构，从而能够达到自由移动和隔水效果，内装轴承轴套213，通过对轴承轴套213在径向上的推力，可有效卸除推板自重对水轴承214的轴向力。
[0104]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。