一种用于模拟沉管管节拖航过程的风浪流生成系统的制作方法

本发明涉及海洋工程，具体为一种用于模拟沉管管节拖航过程的风浪流生成系统。

背景技术：

1、伴随着城市一体化以及世界经济贸易全球化，便利的交通运输直接带动着地区的经济发展，在世界各地跨海跨河的交通中，各种新型的水工建筑发挥着极其重要的作用，沉管隧道作为一种特殊的跨海越江工程，以其独特的施工方式在世界水下隧道工程建设中发挥着越来越显著的优势，沉管隧道以沉管管节为单元，通过预制、出坞、浮运、沉放、拼接等系列施工构成水下隧道；

2、由于海洋环境相对恶劣，沉管管节在施工过程中受到海洋中风浪流等环境因素的影响，复杂的环境载荷极有可能导致系统中系固缆绳处出现超过其承受能力的载荷而发生损伤和破断；管节的浮运过程作为沉管施工中遭遇环境条件复杂的阶段，其拖航缆绳的配置及拖缆受到的拖航缆力的研究，具有十分重要的现实意义。

3、所以我们提出了一种用于模拟沉管管节拖航过程的风浪流生成系统，以便于解决上述中提出的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于模拟沉管管节拖航过程的风浪流生成系统，以解决上述背景技术提出的目前市场上的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种用于模拟沉管管节拖航过程的风浪流生成系统，包括：

3、试验水池，用于生成试验所需波浪；

4、拖车系统，用于实现管节的纵向拖航；

5、造流系统，用于模拟管节拖航过程中遭遇的横流；

6、造波系统，用于生成期望的波浪；

7、测量仪器，主要包括波高测量仪器、流速测量仪器、水位测量仪器以及拉力测量仪器。

8、作为本发明的优选技术方案，所述试验水池在水池中央位置，根据实际拖航航道地形，按几何比尺进行缩放，通过砂石垫底水泥抹面，建立南北向模型航道，模型航道长40m，沿模型航道搭建有南北向拖车系统，用于管节纵向拖航，沿东西方向布设造流系统，用于造横向流，在水池南侧搭建了造波系统，用于生成试验所需波浪。

9、作为本发明的优选技术方案，所述拖车系统由导轨和拖车两大部分组成，导轨布设在模型航道两侧，南北走向，垂向和水平上的平整度均满足试验要求，拖车架设于导轨上，齿合传动，运动由变频伺服电机控制，可通过自动化程序精准设置拖车运行速度及加速度参数，无线遥控实现远程操控拖车启停运行；

10、拖车轨道长36m，本试验中最大静水拖航速度2.1m/s，在1:50的模型比尺下，拖航时间可达100s以上，匀速拖航时长满足阻力测量的需求，拖车系统运行速度可控精度为0.1cm/s，精度完全满足拖航速度精度要求。

11、作为本发明的优选技术方案，所述造流系统包括：在水池西侧等间距布设了9台可逆泵，利用变频器控制可逆泵的正反转及转速得到所需要的流速，最大造流速度可达40cm/s，完全满足试验横流要求。

12、作为本发明的优选技术方案，所述造波系统为可移动摇板式不规则波造波机，该造波机由造波板、伺服驱动器、伺服电机、编码器、服务器、计算机及其他外设组成，按所需波浪对应的参数，由计算机完成造波控制信号的计算，经接口电路将信号传输至伺服驱动器中，伺服驱动控制伺服电机的转动，滚珠丝杠将电机转动转换为直线运动，经造波板生成期望的波浪。

13、作为本发明的优选技术方案，所述测量仪器包括：

14、所述波高测量仪器采用ds30型波高采集系统；

15、所述流速测量仪器采用vectrino声学多普勒三维流速仪；

16、所述水位测量仪器采用超声波水位仪；

17、所述拉力测量仪器采用2013型拉力综合测量系统。

18、为实现上述目的，本发明还提供一种用于模拟沉管管节拖航过程的风浪流生成系统的试验方法，其特征在于，方法包括以下步骤：

19、步骤一、在水槽/池中，按不同水位对应的流速要求率定水流场，保存造流系统控制参数；

20、步骤二、将管节模型按规定要求进行安装就位，拉力计安装到位；

21、步骤三、开启造流系统，通过流速仪监测水流，待流场稳定后，开始进行阻力测量，所有拉力仪器均使用ad转换器和计算机同步采集，采集速率为50hz，考虑到在较大流速下管节下游可能存在不稳定的尾涡，采样记录的长度为10分钟；

22、步骤四、将采集的拉力按角度进行时间过程合成，并得到对应方向上管节的最大阻力fd，按morrison公式，可计算得到对应水流作用角度的阻力系数cd值。

23、作为本发明的优选技术方案，水池的宽度需要满足：结构物到水池边壁的距离大于3倍结构物在水流法向上的投影宽度，本次阻力特性试验研究中，共模拟2种流向角的动力条件；

24、当水流为0度布置时，水池的宽度要超过(3+3+1)×型宽(0.92m)＝6.44m；

25、当水流为90度布置时，水池的宽度要超过(3+3+1)×型长(3.3m)＝23.1m；

26、综合考虑试验场地条件和试验流速需求，0度水流作用试验在宽度为7m的水槽中进行，其最大造流能力满足试验最大流速的需求，90度水流作用试验在宽度为24m的水池中进行，其最大造能能力可以满足相当于原型0.8m/s的流速需求。

27、为实现上述目的，本发明还提供一种用于模拟沉管管节拖航过程的风浪流生成系统的试验方法的试验模型，其特征在于，实验模型包括管节模型、沉放驳模型和测量塔模型。

28、作为本发明的优选技术方案，模型管节外壳由高强pvc塑料板材制作，端封门位置采用透明亚克力板制作，沉管内部三个孔道利用轻质木塑板制作，由此在外壳与内木塑板间存在极小可配重空间，由于空间小，管节重量配重高密度的铅片完成；

29、沉放驳主体为矩型空壳结构，模型制作材料为木材，并采用防水油漆进行外防护，沉放驳在矩形壳内部采用水泥块进行配重，满足重心位置和质量分布相似；

30、测量塔模型结构组成复杂，由于测量塔重量相对于沉管重量为小量，因此，测量塔模型制作时重点保证其总重量和重心位置相似，测量塔结构采用轻质铝材制作，采用小铅片进行配重。

31、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

32、1.该用于模拟沉管管节拖航过程的风浪流生成系统结构简单合理，试验水池满足单纯的纵向拖航、横向拖航(可称之为垂向拖航)试验需求，同时满足纵向+横向同时拖航(可称之为斜向拖航)试验需求。动力条件可为纯流、纯浪或波流共同作用，本试验中最大静水拖航速度2.1m/s，在1:50的模型比尺下，拖航时间可达100s以上，匀速拖航时长满足阻力测量的需求，拖车系统运行速度可控精度为0.1cm/s，该精度完全满足拖航速度精度要求，从而提高模拟实验的准确性；

33、2.该用于模拟沉管管节拖航过程的风浪流生成系统主要用于模拟管节拖航过程中遭遇的横流。水池西侧等间距布设了9台可逆泵，利用变频器控制可逆泵的正反转及转速得到所需要的流速，最大造流速度可达40cm/s，完全满足试验横流要求；

34、3.该用于模拟沉管管节拖航过程的风浪流生成系统的造波系统为可移动摇板式不规则波造波机，该造波机由造波板、伺服驱动器、伺服电机、编码器、服务器、计算机及其他外设组成，按所需波浪对应的参数，由计算机完成造波控制信号的计算，经接口电路将信号传输至伺服驱动器中，伺服驱动控制伺服电机的转动，滚珠丝杠将电机转动转换为直线运动，能够经造波板生成期望的波浪。