[發明專利]一種研究錨鏈在循環運動下動力響應和流場特征的實驗裝置及方法

在審

• 申請號: 202010038971.0
• 申請日: 2020-01-14
• 公開（公告）號: CN111122142A
• 公開（公告）日: 2020-05-08
• 發明（設計）人: 郭晨偉;高洋洋;陳偉毅;何建勇;朱佳慧
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01M13/00
• 分類號: G01M13/00;G01M10/00;G01L5/04;G01L5/16;G01P5/20
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 萬尾甜;韓介梅

本發明提供了一種研究錨鏈循環運行下動力響應和流場特征的實驗裝置及方法，所述實驗裝置能夠實現多個自由度方向的運動形式傳遞，如果需要實現不同方向上運動形式的傳遞，只需通過調節不同方向的機械滑塊的運動速度即可實現；該方法可記錄錨鏈的張力變化以及捕捉錨鏈尾部流場形態變化；該方法可以同時實現錨鏈在循環運動下其動力響應的記錄與其尾部流場特征變化的捕捉，尤其是錨鏈張力變化記錄可以實現實時輸出實驗方法所述實驗方法能夠在較小的實驗裝置條件下同時模擬多根錨鏈在多個方向上的循環運動，并記錄其動力響應以及其尾部位于不同高度和位置平面的水平、豎直平面的流場信息。

技術領域

本發明涉及一種研究錨鏈循環運動的模型實驗方法，尤其是研究錨鏈在多種循環運動下其動力響應和流場特征的實驗裝置及方法。

背景技術

系泊系統是浮式結構物的重要組成部分，起到限制運動并保護結構的作用。當前，對于浮式結構物系泊系統的研究主要有數值模擬方法和物理模型實驗方法，其研究內容主要集中在系泊系統在環境載荷作用下的動力響應、系泊錨鏈的張力變化以及浮式結構物的運動軌跡變化等，而對于由系泊錨鏈的運動變化對系泊錨鏈的運動形態變化以及觸底點區域的流場形態特征變化研究較少。

目前的系泊系統模擬實驗主要在大型實驗水池當中進行，為了模擬實際海況中風、浪、流載荷的復雜影響，實驗水池的尺度通常較大，一方面各個自由度上的運動耦合給單獨研究某一個自由度上的運動響應帶來難度，另一方面現有流場測速實驗裝置尺度較小、防水性能差且在大型水池當中布置困難，難以捕捉到錨鏈在循環運動下其觸底點段區域附近尾部流場的變化情況。因此，本發明的目的是設計一種集記錄系泊錨鏈在單一自由度以及多個自由度耦合方向上循環運動時錨鏈的張力變化與錨鏈觸底段尾部流場特征變化捕捉于一體的模型實驗裝置及方法。

發明內容

本發明針對傳統的浮式結構物錨泊系統的研究存在缺乏對于錨鏈觸底段尾部流場特征變化的相關問題，設計了一種新型的研究錨鏈在循環運動下動力響應和流場特征的實驗技術方案。該方法不僅可以同時記錄和捕捉錨鏈在循環運動下的動力響應與流場特征，而且通過模塊化組合之后可以模擬多個方向自由度運動的結合，有利于進一步在小尺度的實驗環境條件下更加方便地模擬浮式結構物系泊系統的運動響應以及相應的流場形態的變化。進一步通過改變PIV激光照射平面與方向，該設計實驗方案可以捕捉觸底段不同水深以及不同平面的流場形態變化情況。

本發明所采用的技術方案是：

一種研究錨鏈循環運動的模型實驗裝置，所述的實驗裝置包括透明的實驗水槽、控制系統與電源裝置、機械滑軌、PIV激光發射器與高速相機以及標定板；

所述的機械滑軌包括機械滑塊、滑軌絲桿和伺服電機；所述的滑軌絲桿穿過機械滑塊，所述的伺服電機用于控制滑軌絲桿轉動從而帶動機械滑塊運動，所述的伺服電機另一端與控制系統與電源裝置連接；所述的機械滑軌位于實驗水槽上方；

所述的實驗水槽底部設有不銹鋼固定板；

所述的機械滑塊與不銹鋼固定板之間連接有金屬錨鏈；

所述的機械滑軌沿X軸、Y軸以及Z軸方向分布，且三者以互成90度的方式依次在上一個機械滑軌上搭接，組成運動形式傳遞結構，使得機械滑塊可帶動金屬錨鏈在水平自由度、豎直自由度以及多個自由度方向上耦合運動；

所述的PIV激光發射器位于實驗水槽側面或底面，沿實驗水槽側面與底面均可發射厚度為2mm的激光束；

所述的高速相機位于實驗水槽側面或底面，其擺放位置與PIV激光發射器的激光發射方向成90°夾角，可透過實驗水槽對實驗過程進行拍攝；所述的高速相機的拍攝采樣幀率最低60fps；

所述的標定板包括水平模塊化標定板和豎直模塊化標定板。

上述技術方案中，進一步地，所述的機械滑塊與金屬錨鏈之間設有頂端測力傳感器，不銹鋼固定板與金屬錨鏈之間設有防水傳感器。