一种模拟波流环境的一体式循环水槽

本发明涉及一种实验水槽，特别是一种模拟波流环境的一体式循环水槽。

背景技术：

1、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。

2、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。物理模型试验需要模拟波流环境的实验平台，一般采用拖曳水池与循环水槽进行波流环境模拟，拖曳水池采用拖拽小车模拟相对流速，实现波流的有效模拟，但拖曳水池受轨道长度的限制，去除加速段和减速段，维持在实验流速下的时间段有限，严重限制模拟实验的时间，无法开展长期连续的流速加载实验，同时轨道的平整度会影响拖拽小车运行的平稳性，实验过程中拖拽小车的跳动直接影响实验数据。而循环水槽采用水力驱动装置，实现水体循环流动并能控制流动速度，将实验模型安装在水槽试验区，不仅可以开展长时间的加载实验，还能便于光学仪器的数据采集以及实验员的外围观测，同时大大缩短水槽长度，具有投资小、占地少、见效快等优点。但是传统的试验实验水槽一般只能单一的模拟水流或者波浪，同时一般循坏水槽采用玻璃和金属管道结合，建立循环流道，玻璃部分作为实验段便于观测，金属管道作为回流段便于安装，但是玻璃与金属连接过渡部分，在长时间运行过程中，受水压、水力波动、承压形变等影响，连接处漏水问题一直难以很好的解决，此外循环水槽流道出口处的流体与造波装置的干涉，导致流场不稳定和波浪难控制等问题。

3、故此，申请人提出了本发明创造。

技术实现思路

1、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模拟波流环境的一体式循环水槽，其能够实现水流和波浪进行有效耦合。

2、为了实现上述目的，本发明所设计的一种模拟波流环境的一体式循环水槽，包括水槽底座支架，架设于水槽底座支架上的水槽玻璃体，以及位于由水槽玻璃体所形成的矩形水槽容腔内的水泵，其结构中：在矩形水槽容腔内设有用以在该矩形水槽容腔内形成一体式循环流道的水体分层组件，包括层板一、层板二、层板三以及层板四；其中，层板一和层板四均固定至矩形水槽容腔表面所形成的支撑部上，在矩形水槽容腔的长方向上层板一和层板四均平行于矩形水槽容腔的底面进行先后分布，在矩形水槽容腔的高方向上两者相互之间存在设定值的高度差以形成缺口，层板二和层板三分别铰接至层板一以及层板四上，并通过两者绕各自铰接轴进行自转以改变流经缺口后的水流朝向，层板二和层板三的非铰接侧通过挂钩拉杆组件相互硬性连接，且层板三的非铰接侧还通过拉簧组件一与层板四相互柔性连接，在层板四的一侧设有用以分隔水体分层组件的上、下方水体的导流罩，所述导流罩上设有通孔，另一侧设有用以将水体分层组件的下方水流引向缺口方向的导流板，导流罩和导流板均固定至矩形水槽容腔表面所形成的支撑部上，所述水泵的出水口与导流罩的通孔相密封对接，并始终驱动水体分层组件的上、下方水体进行循环交换，在层板一的上方设有造波装置，其中所述造波装置包括冲箱支架、回转机构、连杆传动机构、导向机构和冲箱，回转机构和导向机构安装至冲箱支架上，在导向机构作用下回转机构通过连杆传动机构驱动冲箱在矩形水槽容腔的高方向上始终作直线往复运动，层板二的非铰接侧还通过拉簧组件二与冲箱相互柔性连接，且所述拉簧组件二的弹性系数k2＜拉簧组件一的弹性系数k1，在矩形水槽容腔内还设有消波板，其位于造波装置的相对称侧，并且同样固定至矩形水槽容腔表面所形成的支撑部上。

3、作为优选的技术方案，所述回转机构包括回转支承架、回转支承、用以驱动回转支承的外圈自转的回转支承驱动电机组件以及行程调节块，所述行程调节块上设有螺纹孔，并在行程调节块的长方向上进行一字排布，回转支承的内圈以及回转支承驱动电机组件均安装至回转支承架上，行程调节块安装至回转支承的外圈上；

4、所述连杆传动机构包括正螺纹自润滑杆端关节轴承、正螺纹杆、两端正反螺纹的调节螺母、反螺纹杆和反螺纹自润滑杆端关节轴承，正螺纹杆的一端与正螺纹自润滑杆端关节轴承的杆端相互螺纹连接，另一端则与调节螺母的正螺纹段相互螺纹连接，反螺纹杆的一端与反螺纹自润滑杆端关节轴承的杆端相互螺纹连接，另一端则与调节螺母的反螺纹段相互螺纹连接；

5、所述导向机构包括支架板、直线轴承和导向轴，所述支架板上设有长槽一，所述导向轴的端部形成法兰部，直线轴承安装至支架板上，导向轴衬入直线轴承内，并在直线轴承的轴方向上始终作往复直线运动；

6、其中，回转机构的回转支承架和导向机构的支架板均安装至造波装置的冲箱支架上，连杆传动机构一端的正螺纹自润滑杆端关节轴承的轴承端通过螺栓铰接至回转机构的行程调节块的任意螺纹孔上，另一端穿过导向机构的支架板上的长槽一，且该端部上的反螺纹自润滑杆端关节轴承的轴承端通过螺栓与安装至冲箱上的自润滑杆端关节轴承支架相互铰接，导向机构中导向轴的法兰部与造波装置的冲箱相互固定。

7、进一步的，所述导向机构中直线轴承以及导向轴的数量均至少为两个，所有导向轴的两端部均形成法兰部，其中一端的法兰部与造波装置的冲箱相互固定，另一端的法兰部则共同固定至顶板上，且所述顶板上设有长槽二，连杆传动机构一端的正螺纹自润滑杆端关节轴承的轴承端通过螺栓铰接至回转机构的行程调节块的任意螺纹孔上，另一端依次穿过导向机构的顶板上的长槽二以及支架板上的长槽一，且该端部上的反螺纹自润滑杆端关节轴承的轴承端通过螺栓与安装至冲箱上的自润滑杆端关节轴承支架相互铰接。

8、同样的，作为优选的技术方案，所述挂钩拉杆组件包括挂钩拉杆和螺栓环，其中螺栓环分别安装至层板二和层板三的非铰接侧，挂钩拉杆的一端挂钩部勾住层板二上的螺栓环，另一端挂钩部则勾住层板三上的螺栓环；

9、所述拉簧组件一包括拉簧一和螺栓环，其中螺栓环分别安装至层板三的非铰接侧以及层板四上，拉簧一的一端挂钩部勾住层板三上的螺栓环，另一端挂钩部则勾住层板四上的螺栓环；

10、所述拉簧组件二包括拉簧二、螺栓环、绳索、绳索导向轮以及绳索导向轮支架，其中绳索导向轮通过绳索导向轮支架安装至层板一上，螺栓环分别安装至层板二的非铰接侧以及造波装置的冲箱上，拉簧二的一端挂钩部勾住层板二上的螺栓环，另一端则与绳索的一端相互连接，在绳索导向轮的导向作用下，绳索的另一端则与冲箱上的螺栓环相互连接。

11、本发明所提供一种一体式循环水槽的工作方式如下：首先往由水槽玻璃体所形成的矩形水槽容腔内注水，直至到达设定水面高度，接着造波装置以及水泵工作，造波装置的冲箱在矩形水槽容腔的高方向上周期性的反复冲击水体分层组件的上方水体，在水体界面形成特定周期性的波浪，同步的在水泵驱动作用下水体分层组件的上、下方水体进行循环交换，整个水体循环路径中水体分层组件的下方水体中所形成的水流沿着导流板流向层板一和层板四两者之间的缺口方向，再从缺口流出进入至水体分层组件的上方水体，此时因流经缺口后的水流朝向会实时发生变化，以最大程度上实现水流在进入至水体分层组件的上方水体中快速且平稳的扩散，进而在水体分层组件的上方水体中实现水流和波浪进行有效耦合。

12、与现有技术相比较，本发明得到的一种模拟波流环境的一体式循环水槽，其具备以下的技术优点及特点：

13、1、本发明中所提供一体式循环水槽，其矩形水槽容腔内水体分层组件的上方水体（水槽模拟试验区域）中产生的水流和波浪能够进行有效耦合，进而提升水槽模拟试验/实验的精准性；

14、2、本发明中所提供一体式循环水槽，其一体式玻璃水槽设计，彻底的规避了传统此类循环水槽中玻璃与金属连接过渡部分的密封问题，即最大程度上解决了在长时间运行过程中受水压、水力波动、承压形变等影响循环水槽易发生漏水的问题；

15、3、本发明中所提供一体式循环水槽，其采用水力驱动装置，实现水体循环流动并能控制流动速度，将实验模型安装在水槽试验区，不仅可以开展长时间的加载实验，还能便于光学仪器的数据采集以及实验员的外围观测，同时大大缩短水槽长度，具有投资小、占地少、见效快等优点。