一种波流耦合模拟实验水槽

1.本发明涉及一种实验水槽，特别是一种波流耦合模拟实验水槽。


背景技术：

2.海洋是地球生物的发源地，是地球上最后一座生物宝库。开发海洋，可以解决由于人口增加而伴随的粮食问题。海洋是地球上最后的资源供应地，开发海洋，可以满足人类生活、生产对矿产的需求。
3.海洋资源丰富，开发和利用潜力巨大，在海洋开发的过程中，需要设计研发新型海工装备，海工装备在海上同时受到水流及波浪的冲击，受力复杂，在设计研发过程中，虽然通过理论计算和推导模拟，我们能够得到部分海工装备的水动力参数以及结构响应特性，但是由于这些结论或者结果大部分都是由假设和经验公式堆砌出来的，在一定程度上就存在着局限性。因此在海洋工程界中，物理模型试验的结果是最为准确和可靠的，人们并以此作为海洋工程的设计建设的依据。而海洋深水试验池是进行海洋工程深水试验必不可少的基础研究设备，能够较为全面的模拟海洋环境，被称为发展海洋高新技术的重要支撑平台。
4.但由于其建造成本过大，并不适用于小型企业或学校的研究，所以小型实验水槽就成了较好的选择。而传统的试验实验水槽一般只有单一的模拟水流或者波浪，其一般通过采用拖拽小车带动测试装置，形成相对水流运动，但是这种方式水流运动不准确，拖拽小车的传动控制相对比较麻烦。
5.因此如何设置一种新型波流耦合试验实验水槽来实现波流的耦合显得尤为重要。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了解决上述现有技术的不足而提供一种能够实现水流和波流进行有效耦合，最终能够较为全面的模拟海洋环境的一种波流耦合模拟实验水槽。
7.为了实现上述目的，本发明所设计的一种波流耦合模拟实验水槽，包括实验水槽、回流管以及连接在实验水槽和回流管之间实现将实验水槽中的水进行循环利用的水泵，在实验水槽上设置有出水口和进水口，所述出水口通过一个引流装置与回流管一端相连，所述进水口通过一个回流装置与回流管的另一端相连，在实验水槽上方设置有靠近出水口的消波装置以及能够上下摆动来推动水流实现模拟水流波浪的造波装置，所述消波装置用于消除引流过程中水流表面的波浪，保证水流平稳的作用，所述回流装置和引流装置的结构相同，均包括一个以从小到大逐渐扩大的形式进行设置的第一水流过渡部件和一个弧形的第二水流过渡部件，所述第二水流过渡部件为上大下小的结构，所述第一水流过渡部件的小口径端与回流管的口径一致并与回流管相连，所述第一水流过渡部件的大口径端与第二水流过渡部件的口径一致并与第二水流过渡部件的一端相连，在进水口与出水口处均设置有用于保证在实验水槽的水流截面中各点流速相等的稳流模块，所述稳流模块的四周外壁与实验水槽的内壁相抵。
8.作为优选，使得水流经稳流模块时能够保证各个通道的水流流速均相等，所述稳
流模块包括四块两两相连构成方形框架的连接板，在方形框架内均布有数个沿方形框架长度方形沿伸的蜂窝格，所述蜂窝格的大小一致且互相无缝拼接。
9.作为优选，为了使得结构简单，消波效果好，所述的消波装置包括两个间隔设置的消波支架以及设置在消波支架之间的两组消波组，两组消波组上下分布，所述消波组包括一个以上并水平间隔设置的消波板，所述消波板的横截面呈凹弧形，且上下两组消波组上的消波板的凹弧相对设置，每组中相邻两个消波板的凹弧两端分别位于另一组消波板的凹弧内，两组消波组之间构成便于波浪通过的消波腔室。
10.作为优选，为了使得造波的结构更加简单，且操作更方便，所述的造波装置包括设置在稳流模块出口位置的造波支架、一端与造波支架铰接的推板以及驱动推板上下摆动的驱动部件，所述驱动部件通过固定板置于实验水槽上方，所述驱动部件的输出传动连接有一个偏心轮，在偏心轮上偏心设置有螺杆，所述推板横向设置在实验水槽内并与水流表面平行，所述推板的一端通过旋转轴与合页配合铰接在造波支架上，所述推板与螺杆之间设置有贯穿固定板的推动杆，所述推动杆的两端设置有轴承，其中一个轴承与螺杆连接，另一个轴承与推板连接。
11.为了实现波浪幅值可调节，在偏心轮上设置有一个以上不同偏心位置的偏心螺纹孔，所述的螺杆能够与任意一个偏心螺纹孔螺纹连接。
12.为了方便调节偏心轮的转速，进而调节造波推板的摆动频率，所述驱动部件采用减速电机。
13.为了使得水流过渡更加流畅，所述第二水流过渡部件是通过采用四块不锈钢薄铁皮弯曲后进行两两焊接构成的一个弧形通道。
14.作为优选，为了便于安装，所述第一水流过渡部件是一个三角锥形的连接件，所述连接件与回流管的连接处采用法兰密封连接，所述连接件与第二水流过渡部件的连接处采用焊接的方式进行连接，以提前两者的连接稳定性。
15.作为优先，所述的实验水槽固定在一个水槽支架上，所述的回流管置于实验水槽的下方，且所述水泵固定在水槽支架上。
16.本发明得到的一种波流耦合模拟实验水槽，具有以下技术效果：通过在实验水槽一端设置能够上下摆动来推动水流实现模拟水流波浪的造波装置，且通过稳流模块保证水流在实验水槽两端传输时具有稳定均匀进出水的作用，避免影响造波的过程，同时在实验水槽另一端设置沿水流流动方向沿伸的消波装置以达到在水流循环过程中，既具有造波的形式，又具备水流流动的形式，且两者相互不受影响，以实现水流和波流进行有效耦合，最终成为一种能够较为全面的模拟海洋环境的实验模拟设备。
附图说明
17.图1是实施例1的一种波流耦合模拟实验水槽的结构示意图；图2是实施例1的一种波流耦合模拟实验水槽在水槽支架的其中一根杆以水槽的一块板与整体设备分离时的示意图；图3是图1中的b处放大图；图4是图1中的c处放大图；图5是实施例1中造波装置的结构示意图；
图6是图5中的a处放大图；图7是实施例1中消波装置的结构示意图；图8是实施例1中消波装置的正面结构示意图；图9是实施例1中稳流模块的结构示意图；图10是实施例1中回流装置与部分回流管以及稳流模块的连接结构示意图；图11是实施例1中第二水流过渡部件的结构示意图；图12是实施例1中第一水流过渡部件的结构示意图；图13是实施例1中偏心轮的正面结构示意图；图14是实施例1中消波原理图。
18.图中：实验水槽1、回流管2、水泵3、出水口4、进水口5、引流装置6、回流装置7、造波装置8、消波装置9、第一水流过渡部件10、小口径端10
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1、大口径端10
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2、第二水流过渡部件11、稳流模块12、连接板13、方形框架14、蜂窝格15、消波支架16、消波组17、消波板18、螺纹安装孔18
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1、消波腔室19、造波支架20、推板21、驱动部件22、固定板23、偏心轮24、螺杆25、旋转轴26、合页26
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1、推动杆27、轴承28、不锈钢薄铁皮29、连接件30、法兰30
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1、水槽支架31、偏心螺纹孔32。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.如图1
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14所示，作为本发明的一种实施方式，本实施例中提供的一种波流耦合模拟实验水槽，包括实验水槽1、回流管2以及连接在实验水槽1和回流管2之间实现将实验水槽1中的水进行循环利用的水泵3，在实验水槽1上设置有出水口4和进水口5，所述出水口4通过一个引流装置6与回流管2一端相连，所述进水口5通过一个回流装置7与回流管2的另一端相连，在实验水槽1上方设置有靠近出水口4的消波装置9以及能够上下摆动来推动水流实现模拟水流波浪的造波装置8，所述消波装置9用于消除引流过程中水流表面的波浪，保证水流平稳的作用，所述回流装置7和引流装置6的结构相同，均包括一个以从小到大逐渐扩大的形式进行设置的第一水流过渡部件10和一个弧形的第二水流过渡部件11，所述第二水流过渡部件11为上大下小的结构，所述第一水流过渡部件10的小口径端10
‑
1与回流管2的口径一致并与回流管2相连，所述第一水流过渡部件10的大口径端10
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2与第二水流过渡部件11的口径一致并与第二水流过渡部件11的一端相连，在进水口5与出水口4处均设置有用于保证在实验水槽1的水流截面中各点流速相等的稳流模块12，所述稳流模块12的四周外壁与实验水槽1的内壁相抵。
21.如图9所示，为了使得水流经稳流模块12时能够保证各个通道的水流流速均相等，本实施例中所述稳流模块12包括四块两两相连构成方形框架14的连接板13，在方形框架14内均布有数个沿方形框架14长度方形沿伸的蜂窝格15，所述蜂窝格15的大小一致且互相无缝拼接，在本实施例中所述的蜂窝格15可以是方形、圆形、多边形的形状，由于本实施例中的实验水槽1为方形结构，因此稳流模块12也为方形结构，故此作为优选，内部的蜂窝格15
为方形结构。
22.如图7
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8所示，为了使得结构简单，消波效果好，本实施例中所述的消波装置9包括两个间隔设置的消波支架16以及设置在消波支架16之间的两组消波组17，两组消波组17上下分布，所述消波组17包括一个以上并水平间隔设置的消波板18，所述消波板18的横截面呈凹弧形，且上下两组消波组17上的消波板18的凹弧相对设置，每组中相邻两个消波板18的凹弧两端分别位于另一组消波板18的凹弧内，两组消波组17之间构成便于波浪通过的消波腔室19，且消波支架16上端固定在实验水槽1框架的框沿上。
23.如图5
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6所示，为了使得造波的结构更加简单，且操作更方便，本实施例中所述的造波装置8包括设置在稳流模块12出口位置的造波支架20、一端与造波支架20铰接的推板21以及驱动推板21上下摆动的驱动部件22，所述驱动部件22通过固定板23置于实验水槽1上方，所述驱动部件22的输出传动连接有一个偏心轮24，在偏心轮24上偏心设置有螺杆25，所述推板21横向设置在实验水槽1内并与水流表面平行，所述推板21的一端通过旋转轴26与合页26
‑
1配合铰接在造波支架20上，所述推板21与螺杆25之间设置有贯穿固定板23的推动杆27，所述推动杆27的两端设置有轴承28，其中一个轴承28与螺杆25连接，另一个轴承28与推板21连接。
24.如图13所示，为了实现波浪幅值可调节，本实施例中在偏心轮24上设置有多个不同偏心位置的偏心螺纹孔32，所述的螺杆25能够与任意一个偏心螺纹孔32螺纹连接，通过在偏心轮24上有多个偏心螺纹孔32，将螺杆25拧在不同偏心螺纹孔32时，改变推板运动幅度，实现偏心距离的调节。
25.本实施例中所述驱动部件22为减速电机，其是一种减速机和电机（马达）的集成体。
26.如图11所示，为了使得水流过渡更加流畅，本实施例中所述第二水流过渡部件11是通过采用四块不锈钢薄铁皮29弯曲后进行两两焊接构成的一个弧形通道。
27.如图12所示，为了便于安装，本实施例中所述第一水流过渡部件10是一个三角锥形的连接件30，所述连接件30与回流管2的连接处采用法兰30
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1密封连接，所述连接件30与第二水流过渡部件11的连接处采用焊接的方式进行连接。
28.所述的实验水槽1固定在一个水槽支架31上，所述的回流管2置于实验水槽1的下方，且所述水泵3固定在水槽支架31上，通过将回流管2放在实验水槽1的下侧，相比放在实验水槽侧边，整体占地面积减少，而且下流循环水流更易于形成稳流。
29.在本实施例中由于为了要模拟海洋水流及波浪的情况，因此需要将实验水槽1中的水循环利用，就要用水泵3把水从下面的回流管2中泵入实验水槽1中，因此为了保证回流以及引流的合理性，在回流管2与实验水槽1的两个连接端分布设置结构相同的引流装置6和回流装置7，用来连接回流管2与实验水槽1，由于实验水槽1的尺寸相比于回流管2的尺寸要大很多，因此将回流装置和引流装置分成两部分：一个为下小上大的第一水流过渡部件10，并通过将第一水流过渡部件10两端与回流管2以及实验水槽1的连接处进行密封设置，能够保证在实验过程中水不会从缝隙中漏出，导致实验室环境非常糟糕的问题发生，同时时间长了长期漏水也会导致连接处生锈从而影响实验条件，造成实验失败的问题发生，另外一个为能够与实验水槽1相连，且上大下小的第二水流过渡部件11，同时本实施例中，第二水流过渡部件11采用四块不锈钢铁皮进行两两焊接连接，且将薄铁皮弯曲构成两个一大
一小的异心圆，如图10
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12所示，因此通过上述结构设计实现通过第一水流过渡部件10实现水流从回流管2的圆形回路过渡成长方形截面流域，再由第二水流过渡部件11实现水流从长方形截面流域过渡成方形截面流域的过程，保证水流的平稳性。
30.同时水由水泵3通过回流管2和回流、引流装置泵到实验水槽1中时，由于实验水槽底部、中部和顶部的水流流速各不相同，这样会使得在实验区域实验所得的数据精确度差，最终无法实现精确的模拟海面水流实验的目的，因此设置了能够保证试验区域内水的流速在实验水槽1内处处接近于相同的稳流模块12，同时又为了能够保证稳流模块12不能破坏由造波装置产生的波浪，因此将稳流模块12设计成长条的蜂窝状即由四块两两相连构成方形框架14的连接板13组成，在方形框架14内均布有数个沿方形框架14长度方形沿伸的蜂窝格15，所述蜂窝格15的大小一致且互相无缝拼接，并且安装在实验水槽1的首尾处来保证既能稳流又能保证波浪的完整性，且安装在末尾的稳流模块12还具有一定的消波功能，具体结构如图9所示。
31.另外，本结构在稳流模块的出口位置设置造波装置8，且该造波装置8包括造波支架20、一端与造波支架20铰接的推板21以及驱动推板21上下摆动的驱动部件22，首选将固定板23固定在实验水槽1上方的槽口上，然后将驱动部件22固定在固定板23上，在驱动部件22的输出端连接一个偏心轮24，在偏心轮24上偏心设置一个螺杆25，同时在推板21的一端通过旋转轴26与合页26
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1配合铰接在造波支架20上，所述推板21与螺杆25之间设置有贯穿固定板23的推动杆27，所述推动杆27的两端设置有轴承28，其中一个轴承28与螺杆25连接，另一个轴承28与推板21连接，实现随着驱动部件22工作带动偏心轮24旋转，最终偏心轮24带动螺杆25旋转，带动推动杆27上下方向圆弧运动，最终推动推板2上下运动，实现水流呈现上下的波动，以实现造波的作用，本实施例中驱动部件22采用减速电机，可实现改变偏心轮转速，最终改变推板21的运动周期来改变波浪周期，当将推板2调节成水平位置时，可以实现纯流的模拟。
32.且所述的推板可以是一整片或者多片进行拼接的形式构成，当采用多片时，多片推板之间进行焊接在一起，同时每一片推板上的一端均通过一个旋转轴26与合页26
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1的配合方式铰接在造波支架20上，同时需要保证旋转轴26以及合页26
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1在同一水平直线上，且为了实现稳定性，整片推板也通过多个铰接件与造波支架20铰接，每一个铰接件均由一个旋转轴26与合页26
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1配合构成，且安装时，需要保证每一个铰接件在同一水平直线上。
33.在本实施例中为便于安装，所述消波板18四周以及消波支架16上均对应设置有螺纹安装孔18
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1，且对应的消波板18四周通过螺丝与消波板18以及消波支架16上的螺纹安装孔配合固定在消波支架16上，即螺丝先贯穿消波支架16上的螺纹安装孔18
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1后与消波板18对应的螺纹安装孔18
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1进行连接实现固定，如图14所示，工作原理如下，由于波浪形成过程中能量大部分集中在水体表面，因此在波浪经过消波装置9时，波浪会进入上下两组消波板的中间即消波腔室19，并且在上下两组消波板的作用影响下会在凹弧内形成紊流，紊流除了粘性耗能外，还有更主要的由于紊动产生附加切应力引起的耗能，使得波浪中的能量被紊流快速抵消削弱，最终使得消波装置吸收反射波浪。
34.工作时，首先在实验水槽1内注入水，然后驱动水泵3工作，将实验水槽1中的水进行循环利用构成模拟水流流动的形式，然后在水流流经出水口4时，通过消波装置9将水流表面的波浪进行消波处理，让水流变得平缓并进入到稳流模块12中，通过稳流模块12将水
以水流截面中各点流速相等的形式进行缓慢匀速的流动，然后进入到引流装置6中避免水流流速不同而影响对引流装置6的冲击，再利用引流装置6将水流从实验水槽1的方形截面流域过渡到圆形截面流域并进入到回流管2内，再通过回流管2的另一端进入到回流装置7中，通过回流装置7将水流从圆形截面流域过渡到方形截面流域，再进入到稳流模块12中，通过稳流模块12将水以水流截面中各点流速相等的形式进行缓慢匀速的流动并进入到实验水槽1内，此时通过造波装置8进行推板21的上下方向运动，推动水流呈现上下的波动，实现造波后流入到实验水槽1内进行循环的过程。
35.因此本发明创造的装置，通过在实验水槽1一端设置能够上下摆动来推动水流实现模拟水流波浪的造波装置8，且通过稳流模块保证水流在实验水槽1两端传输时具有稳定均匀进出水的作用，避免影响造波的过程，同时在实验水槽1另一端设置沿水流流动方向沿伸的消波装置9以达到在水流循环过程中，既具有造波的形式，又具备水流流动的形式，且两者相互不受影响，以实现水流和波流进行有效耦合，最终成为一种能够较为全面的模拟海洋环境的实验模拟设备。
36.本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本技术相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。