一種海洋工程深水水池造流系統(tǒng)的小比尺模型試驗

1、一種海洋工程深水水池造流系統(tǒng)的小比 尺模型試驗李玉剛劉玲高南大連理工大學海岸和近海工程國家重點實驗室 大連理工大學船舶工程學院 大連理工大學航空航天學院摘要：在深水水池開展模型試驗時往往需要考慮海流的作用.然而精確地模擬海流是 十分困難的.按照相似比提供了一種深水水y也造流系統(tǒng)模型試驗方法.包括原型與模型的物理量縮尺方法、水池模型的制作方法、動力段模型的制作方 法、動力段模型的控制方法和流場品質測試方法試驗方法和試驗結果對深水水 池造流設計具有重要意義。關鍵詞:海流深水水池模型造流流場品質作者簡介：李玉剛<iv»-) 男河北石家莊人博士.高工.主要研究方向 為深海工程試驗技術。

2、收稿日期：29h-23基金：國家自然科學基金創(chuàng)新研究群體項目資助4項目編號«1221%1>abstract：is lmk-< riiwl»l *!1磯導ms.卄 ms “iilli4s4 .v i bmiiis mbb*. iesi& 4es4 libsa. mm<b . 北 呻 rhij ibs* !keyword：海洋環(huán)境復雜多變以及海洋工程技術經(jīng)驗的匱乏.使得海洋工程研究需要更多 地依賴模型試驗.海洋工程深水試驗水池的建設.除了建有一定尺度的池體外. 還需配備風、浪、流環(huán)境荷載的模擬裝置j±顯其中造流能力和造流品質是評 價深水池先進

3、性、實用性的重要標準之一。深水池造流系統(tǒng)技術復雜.造價昂貴. 建設初期需要對造流方案進行數(shù)值分析或小比尺物理模型試驗驗證-當前國內 外深水池數(shù)量極少.有關造流系統(tǒng)的設計文獻主要集中在理論與數(shù)值分析 d-slo造流系統(tǒng)小比尺物理模型試驗相似準則不明確。造流水泵模型的相似關系要考慮 池底和邊壁的水內旋渦及回流現(xiàn)象°現(xiàn)有模型水泵的參數(shù)無法直接用來水池試 驗若采用現(xiàn)成水泵作為模型水泵.一方而成本高.另一方而市場上沒有完全符 合相似準則的水泵訓j模型試驗要求真實地反映原型的客觀規(guī)律.能夠測量模型 流場品質驗證原型的造流可行性見發(fā)現(xiàn)潛在的問題這些要求迫切需要開發(fā)一種 海洋工程深水池造流系統(tǒng)的小比

4、尺模型試驗設計方法。本文的0的是提供i種海 洋工程深水池造流系統(tǒng)的小比尺模型試驗設計方法.包括原型與模型的物理量 縮尺方法、水池模型的制作方法、動力段模型的制作方法、動力段模型的控制方 法和流場品質測試方法。i深水水池造流方案造流的均勻性與穩(wěn)定性將直接影響到模型試驗的效果.本文提出的造流設備是 全水池造流系統(tǒng)。大水池規(guī)模為4長xmi q寬x mi 4深.由池壁的 進水/岀水口、驅動水泵陣列等組成4見圖i) o水流通過邊上截面為nixni 水槽形成循環(huán)。水泵陣列由24臺大型軸流潛水水泵組成陣列.可以在水池 內形成均勻流、剪切流等流場°水池最大表層流速e.3i/s中層流速方/0、 底層流

5、速/耳 最大平均流速可達含/包 滿足實驗需求。另外.采用與水 池大截面回流廊道.可以降低回流速度和能耗.應用推流器矩陣和導流片調節(jié) 水流均勻性.并且可在水池側廊道中產(chǎn)牛的“高速”水流。50 m圖i深水水池造流方案圖下載原圖2縮尺方法考慮安全裕度的情況下.在實際流速下進行模型試驗4即模型泵和實際泵的流 速一樣i.原型與模型的物理量縮尺方法，即滿足如下相似關系$ 幾何比尺lm-a速度比尺流量比尺水池消耗功率 普流量q和壓頭的關系為$w = qap / 7= c-pkft1)av3這里n為泵效程流速為y截面積為h壓頭損失系數(shù)為ffu功率比尺l2l21)a2本文模型比尺為im5水池模型的制作方法模型完

6、全遵循幾何相似準則進行縮尺°水池模型的材料采用透明度好、不易破 損、韌性好的有機玻璃°水池模型由多塊有機玻璃板粘接°粘接方式采用立面粘 接.導流片采用鋁板粘接固定于水池相應位置.粘接劑采用雙組份粘接劑.粘 接時首先應將需粘接的表面擦拭干凈.然后使用靠模保證粘接物不晃動.提高 粘接的質量4見圖2。有機玻璃板粘接.可墊入細金屬絲.利用毛細作用完成 粘接°在粘接劑固化z前抽出金屬絲。圖2水池模型下載原圖4動力單元模型的制作方法動力段c泵墻1x3動力單元組成4見圖根據(jù)給定的原型參數(shù)、和似準則 和比尺確定模型中相應的電機參數(shù)和槳葉參數(shù)根據(jù)電機和槳葉參數(shù)確定整流外

7、殼幾何參數(shù)°整流外殼采用池材料進行制作°槳葉采用船模雙葉螺旋槳°焊 接固定在電機轉軸上-電機根部與松整流外殼底部希用螺絲擰緊-形成動力 單元模型的整體結構根據(jù)計算.每個動力單元由呷他無刷電機、3b毫米雙葉 船模螺旋槳和額電調組成.每單元最大功率呷'圖）動力單兀卜載原圖i動力段模型的測控系統(tǒng)動力段模型的測控系統(tǒng).包括動力電源、電流表、電壓表、電機、電調、信號發(fā) 牛器和計算機計算機通過串口發(fā)送命令給信號發(fā)牛器.控制每個電機轉速電 壓、電流表實時顯示每個電機功率4見圖4o圖4功率顯示板下載原圖b流場品質的測試方法儀器設備包括步進電機、步進電機數(shù)控驅動器、步進電機

8、控制卡、流速傳感器、 數(shù)據(jù)采集卡、一臺計算機以及坐標架4見圖測試方法描述為計算機通過步 進電機控制卡控制步進電機數(shù)控驅動器以驅動步進電機.步進電機帶動坐標架 移動°從而準確地控制傳感器的定位°傳感器對流場進行流速測量°信號送數(shù) 據(jù)采集卡-通過s轉換后送計算機處理步進電機與驅動器連接時.采用并聯(lián) 方式連接4見圖m專感器布置在水池試驗段區(qū)域在大、小水池中間截面測量 流速分伉 大水池iixi.小水池1x1個等間隔測電 1士或呆序通過電腦控 制步進電機帶動傳感器自動測量。數(shù)采集卡圖$測量系統(tǒng)結構圖下載原圖圖b步進電機控制機構下載原圖耳實驗結果分析6i導流片對流場影響水泵為

9、抽吸狀態(tài)-泵墻為封閉式-各電機功率均為時-調整導流片。t. l i空間流速不均勻度大、小兩水池平均流速分別為. iti/s. .ih/sffj；通過調節(jié)導流片.大池中 間截面流速不均勻度在土 斂內.小池土 4斂內4見圖久 圖所示。a oso.ia isx0 4-q.3io 2：0.1qo ?0.2ojo：o.ie0.14o 1?a 0.1 -o 08o 060.040.020圖耳小水池平均流速l/s分布圖 下載原圖0.2圖大水池平均流速(i /s>分布圖下載原圖0.15a 0.10.050 -0oj0.20.30.40.5x橫坐標為流速,縱坐標為水深a l3湍流度大、小兩水池平均流速.

10、ni/s> .ib/sffj；大水池湍流度在i叔內4見圖 小水池在2似內a見圖.大水池外側水流不穩(wěn)定.隨時間周期性變 化幅度很大。0.20 150.0500.20.4圖»大水池湍流分布圖下載原圖0.140.060.020.50.40.30.20.10圖i 小水池湍流分布圖下載原圖t.3不同泵墻對流速影響水泵為抽吸狀態(tài)r各電機保持相同功率.如果采用開孔式泵墻.在大、 小兩水池平均流速. ki/s和軌44兀時.與持閉式泵墻相比.采用通透式泵墻 大池平均流速低bz這是由于通透式泵墻的部分水被回抽效率較低引起。t.5不同電機功率對流場影響水泵為抽吸狀態(tài)、泵墻為封閉式、導流片固定、各電機

11、功率不同-其屮內側7 列電機均調整為其他電機均調整為見圖id.均勻度土耳上而第久i小節(jié)中各個電機功靱為口¥寸流速均勻度仝人以上兩種工況的流速分布差別不大.改變各電機功率來調節(jié)上游池內速度分布 不可行.更無法在大水池內制造上快下慢的分層流。0!l00.10.20.30.40.x內側3列電機16w,其他100圖i i平均流速分布l/8圖 下載原圖t.4推流的效果6 4i水泵為推流狀態(tài)、泵墻為封閉式、導流片固定、各電機功率相同經(jīng)試驗發(fā)現(xiàn).大水池平均速度均勻性好.控制在±$似內.通過推流的方式. 可有效控制下游水池的速度分布4見圖12所示。00.10.20.30.4x圖12平均流速

12、分布/s圖4各電機功率12弋下載原圖t.4.2水泵為推流狀態(tài)、泵墻為封閉式.導流片固定、各電機功率不同上層水泵功率為ibv中層水泵冬總2«斛屮見圖口、圖14所示°形成類似 洋流的分層流.該方梟具有更好地論控大水汕流速分布的能力.但在大水池內 造成明顯波辛良 會干擾造波機工作。0.15a 0.10.050 00.10.20.30.4x上層16w中層7w,總共20c0.20.180.160j40.120 08fl.060.040.020,050.10.15u,m/s圖i 4大水池中心流速分布圖下載原圖本文對一種海洋工程深水水池造流系統(tǒng)進行了 "的小比尺模型試驗.對比了

13、 若干方案的優(yōu)缺點.獲得以下結論h吏用潛水泵墻作為動力組從大水池抽吸水. 配合導流片可以使大水池平均速度在±似內.小水池平均速度達到±4似內 大池內水流隨吋間周期性變化幅度較大封閉泵墻比開孔泵墻效鴦高通過比例 關系發(fā)現(xiàn).原型大水池平均速度達到2«/0時r耗電量在以下考慮到 小電機效率低.大水池能耗有望更低通過泵墻向大水池推流的為蕓可以更好地 調節(jié)平均流速分布.也能創(chuàng)造分層流動.但同時會引起波浪.干擾造波機工作。木文釆用的小比尺模型試驗設計方法造價便宜.可以更加直觀地觀測水池流速 分布能否均勻流場品質是否理想可以實吋觀測水池流速與電機功率關系.并 且了解流速最高時.電機總功率是否在合理范圍內可以發(fā)現(xiàn)原型方案潛在的不易發(fā)現(xiàn)的問題可以驗證原型造流方案的可行性.進一步完善原型方案.推動深 海工程試驗裝備技術的發(fā)展。參考文獻i李玉剛深海工程創(chuàng)新實驗基地建設實驗技術與管理° 2® 14. 31 «>s4k.bmr1 mw, 2b <2> sltklmkdi.!& satwslleirii4mrms rii * 欣讓 2«il 3s <d axt' 141 斗klvlw .吟y* |e4»