專利名稱：垂直循環(huán)水流的風(fēng)流浪試驗(yàn)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及海洋環(huán)境試驗(yàn)裝置，特別是涉及一種采用旋槳驅(qū)動(dòng)水流垂直循環(huán)的風(fēng)流浪試驗(yàn)裝置。
技術(shù)背景 在海洋開發(fā)過程中，海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)技術(shù)、海洋能開發(fā)利用技術(shù)等高新技術(shù)的研究和發(fā)展是促進(jìn)海洋可持續(xù)開發(fā)利用的重要環(huán)節(jié)。然而，海洋環(huán)境是多變和復(fù)雜的，海流、風(fēng)、波浪等要素直接作用于海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備與海洋能發(fā)電裝置之上，影響設(shè)備的安全運(yùn)行和穩(wěn)定性。因此，在海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備和海洋能發(fā)電裝置研制過程中，室內(nèi)模擬試驗(yàn)是重要的研究手段之一，通過室內(nèi)海洋環(huán)境試驗(yàn)裝置可再現(xiàn)海洋環(huán)境，驗(yàn)證海洋監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備和海洋能發(fā)電裝置的技術(shù)指標(biāo)和環(huán)境適應(yīng)性，為其技術(shù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)，促進(jìn)海洋高新科技研發(fā)成果的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。目前，能夠產(chǎn)生風(fēng)流浪的室內(nèi)海洋環(huán)境試驗(yàn)裝置，基本由形成水平循環(huán)水流的水流試驗(yàn)水槽與造風(fēng)裝置和造波裝置組合而成，水流試驗(yàn)水槽是裝置的主要構(gòu)成部分。然而， 現(xiàn)有水平循環(huán)水流的試驗(yàn)水槽主要包括兩種工作方式，水泵驅(qū)動(dòng)或旋槳驅(qū)動(dòng)。在高流速、大流量工況下，水泵驅(qū)動(dòng)方式消耗電機(jī)功率較大，增加試驗(yàn)成本。電機(jī)帶動(dòng)旋槳驅(qū)動(dòng)的水平循環(huán)水流方式，試驗(yàn)設(shè)施占地面積太多，目前多為小規(guī)模設(shè)施。然而，小規(guī)模設(shè)施試驗(yàn)水槽中混流段短，試驗(yàn)區(qū)域不容易形成穩(wěn)定的流場(chǎng)，影響試驗(yàn)數(shù)據(jù)的真實(shí)性。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的海洋環(huán)境試驗(yàn)裝置的水流試驗(yàn)水槽所存在的問題，本實(shí)用新型推出垂直循環(huán)水流的風(fēng)流浪試驗(yàn)裝置，將垂直循環(huán)水流試驗(yàn)水槽與造風(fēng)裝置和造波裝置結(jié)合起來，提供在高流速、大流量工況下實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)轉(zhuǎn)、同時(shí)減少試驗(yàn)設(shè)施占地面積的海洋環(huán)境試驗(yàn)裝置，便于進(jìn)行海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備和海洋能發(fā)電裝置的風(fēng)流浪模擬海洋動(dòng)力環(huán)境試驗(yàn)。本實(shí)用新型所涉及的垂直循環(huán)水流的風(fēng)流浪試驗(yàn)裝置包括水流試驗(yàn)水槽、造風(fēng)裝置、造波機(jī)和采集控制系統(tǒng)。造風(fēng)裝置設(shè)置在水流試驗(yàn)水槽上部，造波機(jī)設(shè)置在水流試驗(yàn)水槽內(nèi)的水流中，水流試驗(yàn)水槽的水流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、造風(fēng)裝置、造波機(jī)與采集控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)連接。水流試驗(yàn)水槽包括水槽本體、循環(huán)管道、水流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。水槽本體呈長方體形狀，固定在底座上，內(nèi)部充滿水流，水槽本體殼體兩端為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，中間試驗(yàn)區(qū)域的殼體頂面和兩側(cè)為鋼化玻璃，便于觀察水槽本體內(nèi)試驗(yàn)過程。循環(huán)管道設(shè)置在水槽本體下部的底座內(nèi)，循環(huán)管道位于水槽本體正下方。循環(huán)管道為密封管道，分段設(shè)計(jì)，每段兩端設(shè)有法蘭，法蘭用螺栓連接，連接處填充密封材料。循環(huán)管道兩端形成向上的彎管，兩端的彎管分別與水槽本體兩側(cè)端下部的出水口和進(jìn)水口連通。水槽本體兩側(cè)端下部的出水口和進(jìn)水口分別設(shè)置格柵整流裝置。水槽本體與循環(huán)管道形成內(nèi)部連通的水流垂直循環(huán)回路 水流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括水流驅(qū)動(dòng)電機(jī)和旋槳，水流驅(qū)動(dòng)電機(jī)安裝在水槽本體下部的底座上，水流驅(qū)動(dòng)電機(jī)和旋槳同軸連接。水流驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)置在水槽本體出水口下方的循環(huán)管道外側(cè)，旋槳設(shè)置在循環(huán)管道內(nèi)的水流中。電機(jī)軸沿循環(huán)管道中軸線穿過循環(huán)管道管壁連接旋槳，電機(jī)軸與循環(huán)管道管壁動(dòng)密封連接。造風(fēng)裝置包括風(fēng)機(jī)、風(fēng)室、風(fēng)道。風(fēng)機(jī)置于風(fēng)室內(nèi)，風(fēng)室與風(fēng)道連通。風(fēng)室呈圓筒狀，垂直設(shè)置在水槽本體殼體一側(cè)的頂部。風(fēng)室下端口與水槽本體內(nèi)部連通，風(fēng)室上端的出風(fēng)口與外部相通，風(fēng)機(jī)置于圓筒狀風(fēng)室的下部。風(fēng)室下端口與水槽本體殼體另一側(cè)頂部的進(jìn)風(fēng)口之間形成風(fēng)道，進(jìn)風(fēng)口與水槽本體外部相通。風(fēng)道形成在水槽本體內(nèi)循環(huán)水流的水面之上，置于水面與水槽本體的殼體頂面之間。造波機(jī)設(shè)置在風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口一側(cè)的水槽本體的殼體端部，包括造波機(jī)電機(jī)、絲杠、絲母和推板。造波機(jī)電機(jī)安裝在水槽本體端部的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上，造波機(jī)電機(jī)輸出軸連接絲杠一端，絲杠另一端插入推板上安裝的絲母內(nèi)，絲杠外螺紋與絲母內(nèi)螺紋嚙合，推板垂直設(shè)置在水槽本體內(nèi)的水中。造波機(jī)電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，通過絲母將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)推板平移。當(dāng)造波機(jī)電機(jī)不斷進(jìn)行正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，推板將隨之進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，不斷將能量傳遞給水槽內(nèi)的水體，產(chǎn)生波浪。采集控制系統(tǒng)包括風(fēng)速儀、浪高儀、流量流速測(cè)量?jī)x、變頻器和計(jì)算機(jī)。風(fēng)速儀設(shè)置在水槽本體內(nèi)循環(huán)水流之上的風(fēng)道內(nèi)，浪高儀和流量流速測(cè)量?jī)x設(shè)置在水槽本體內(nèi)的水中，風(fēng)速儀、浪高儀、流量流速測(cè)量?jī)x分別與采集控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)連接變頻器。變頻器分別連接造風(fēng)裝置風(fēng)機(jī)、水流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的水流驅(qū)動(dòng)電機(jī)和造波機(jī)電機(jī)。當(dāng)進(jìn)行風(fēng)浪流綜合試驗(yàn)時(shí)，首先在采集控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)中設(shè)定風(fēng)速、流速和波浪參數(shù)，變頻器根據(jù)設(shè)定參數(shù)確定造風(fēng)裝置、造波機(jī)和水流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)各自的電機(jī)轉(zhuǎn)速，然后加電啟動(dòng)電機(jī)。水流驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)，使水體沿水槽本體與循環(huán)管道形成的水流垂直循環(huán)回路流動(dòng)。風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生風(fēng)，風(fēng)從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入水槽本體內(nèi)，經(jīng)風(fēng)道、風(fēng)室下端口和風(fēng)室，從風(fēng)室上端的出風(fēng)口吹出。造波機(jī)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)推板作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)水槽內(nèi)流動(dòng)的水體產(chǎn)生波浪。在試驗(yàn)過程中，風(fēng)速儀測(cè)量風(fēng)速、波高儀測(cè)量波浪高度、流量流速測(cè)量?jī)x測(cè)量水的流速，測(cè)量數(shù)值輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)通過變頻器自動(dòng)控制與調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而使試驗(yàn)水槽中的風(fēng)、浪、流參數(shù)穩(wěn)定在預(yù)設(shè)數(shù)值范圍內(nèi)。本實(shí)用新型所涉及的垂直循環(huán)水流的風(fēng)流浪試驗(yàn)裝置能夠在實(shí)現(xiàn)大流量、低功耗、高流速的情況下，利用造風(fēng)裝置生成風(fēng)、利用造波機(jī)產(chǎn)生波浪，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬海洋環(huán)境中風(fēng)浪流變化的真實(shí)情況，為海洋環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備和海洋能發(fā)電裝置開展風(fēng)、浪、流動(dòng)力環(huán)境的試驗(yàn)，提供了可靠的技術(shù)手段。

圖1為本實(shí)用新型涉及的垂直循環(huán)水流的風(fēng)流浪試驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中標(biāo)記說明1、水槽本體2、出水口[0021]3、水流驅(qū)動(dòng)電機(jī)4、旋槳
5、循環(huán)管道6、底座7、進(jìn)水口8、推板9、造波機(jī)電機(jī)10、絲杠11、進(jìn)風(fēng)口12、水流13、風(fēng)道14、浪高儀15、流量流速測(cè)量?jī)x 16、風(fēng)速儀17、風(fēng)室18、風(fēng)機(jī)19、出風(fēng)口。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案做進(jìn)一步描述。圖1顯示垂直循環(huán)水流的風(fēng)流浪試驗(yàn)裝置的基本結(jié)構(gòu)，如圖所示，垂直循環(huán)水流的風(fēng)流浪試驗(yàn)裝置包括水流試驗(yàn)水槽、 造風(fēng)裝置、造波機(jī)和采集控制系統(tǒng)。水流試驗(yàn)水槽包括水槽本體1、循環(huán)管道5和水流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。水槽本體1呈長方體形狀，固定在底座6上，內(nèi)部充滿水，水槽本體1殼體兩端為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，中間試驗(yàn)區(qū)域的殼體頂面和兩側(cè)為鋼化玻璃。循環(huán)管道5設(shè)置在水槽本體1下部的底座6內(nèi)，位于水槽本體1的正下方。循環(huán)管道5兩端形成向上的彎管，兩端的彎管分別與水槽本體1兩側(cè)端下部的出水口 2和進(jìn)水口 7連通。水槽本體1與循環(huán)管道形成內(nèi)部連通的水流垂直循環(huán)回路。水流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括水流驅(qū)動(dòng)電機(jī)3和旋槳4，水流驅(qū)動(dòng)電機(jī)3安裝在水槽本體1下部的底座6上，水流驅(qū)動(dòng)電機(jī)3和旋槳4同軸連接。水流驅(qū)動(dòng)電機(jī)3設(shè)置在水槽本體1的出水口 2下方的循環(huán)管道5的外側(cè)，旋槳4設(shè)置在循環(huán)管道5內(nèi)的水流中。水流驅(qū)動(dòng)電機(jī) 3的電機(jī)軸沿循環(huán)管道5的中軸線穿過循環(huán)管道5管壁連接旋槳4，水流驅(qū)動(dòng)電機(jī)3的電機(jī)軸與循環(huán)管道5管壁動(dòng)密封連接。造風(fēng)裝置包括風(fēng)機(jī)18、風(fēng)室17和風(fēng)道13。風(fēng)機(jī)18置于風(fēng)室17內(nèi)，風(fēng)室17與風(fēng)道13連通。風(fēng)室17呈圓筒狀，垂直設(shè)置在水槽本體1殼體一側(cè)的頂部。風(fēng)室17上端的出風(fēng)口 19與外部大氣相通，風(fēng)室17下端口與水槽本體1內(nèi)部風(fēng)道13連通。風(fēng)道形成在水槽本體1內(nèi)循環(huán)水流12的水面之上，置于水面與水槽本體1的殼體頂面之間。進(jìn)風(fēng)口 10與出風(fēng)口 19相對(duì)應(yīng)，位于風(fēng)道13的另一側(cè)，與外部大氣相通。造波機(jī)設(shè)置在風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口 11 一側(cè)的水槽本體1的殼體端部，包括造波機(jī)電機(jī)9、絲杠10、絲母和推板8。造波機(jī)電機(jī)9安裝在水槽本體1端部的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上，造波機(jī)電機(jī)9輸出軸連接絲杠10的一端，絲杠10的另一端插入安裝在推板8上的絲母內(nèi)，絲杠10 的外螺紋與絲母內(nèi)螺紋嚙合，推板8垂直設(shè)置在水槽本體1內(nèi)的水流12中。電機(jī)9帶動(dòng)絲杠10轉(zhuǎn)動(dòng)，通過絲母將回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)橹本€運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)推板8平移。當(dāng)電機(jī)9不斷進(jìn)行正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，推板8將隨之進(jìn)行直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使水槽內(nèi)的水體產(chǎn)生波浪。采集控制系統(tǒng)包括風(fēng)速儀16、浪高儀14、流量流速測(cè)量?jī)x15、變頻器和計(jì)算機(jī)。風(fēng)速儀16設(shè)置在水槽本體1內(nèi)循環(huán)水流12之上的風(fēng)道13內(nèi)，浪高儀14和流量流速測(cè)量?jī)x 15設(shè)置在水槽本體1內(nèi)的水流12中，風(fēng)速儀16、浪高儀14、流量流速測(cè)量?jī)x15分別與計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)連接變頻 器。變頻器分別連接造風(fēng)裝置風(fēng)機(jī)18、水流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)3和造波機(jī)電機(jī)9。
權(quán)利要求1.一種垂直循環(huán)水流的風(fēng)流浪試驗(yàn)裝置，其特征在于包括水流試驗(yàn)水槽、造風(fēng)裝置、 造波機(jī)和采集控制系統(tǒng)，造風(fēng)裝置設(shè)置在水流試驗(yàn)水槽上部，造波機(jī)設(shè)置在水流試驗(yàn)水槽內(nèi)的水流中，水流試驗(yàn)水槽的水流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、造風(fēng)裝置、造波機(jī)與采集控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)連接；水流試驗(yàn)水槽包括水槽本體、循環(huán)管道、水流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，水槽本體內(nèi)部充滿水，循環(huán)管道設(shè)置在水槽本體下部的底座內(nèi)；循環(huán)管道兩端形成向上的彎管，兩端的彎管分別與水槽本體兩側(cè)端下部的出水口和進(jìn)水口連通，水槽本體與循環(huán)管道形成內(nèi)部連通的水流垂直循環(huán)回路；水流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括水流驅(qū)動(dòng)電機(jī)和旋槳，水流驅(qū)動(dòng)電機(jī)和旋槳同軸連接，旋槳設(shè)置在循環(huán)管道內(nèi)的水流中；造風(fēng)裝置包括風(fēng)機(jī)、風(fēng)室、風(fēng)道，風(fēng)機(jī)置于風(fēng)室內(nèi)，風(fēng)室與風(fēng)道連通， 風(fēng)室垂直設(shè)置在水槽本體殼體一側(cè)的頂部，風(fēng)室下端口與水槽本體內(nèi)部連通，風(fēng)室上端的出風(fēng)口與外部相通，風(fēng)室下端口與水槽本體殼體另一側(cè)頂部的進(jìn)風(fēng)口之間形成風(fēng)道，進(jìn)風(fēng)口與水槽本體外部相通；造波機(jī)設(shè)置在風(fēng)道進(jìn)風(fēng)口一側(cè)的水槽本體的殼體端部，包括造波機(jī)電機(jī)、絲杠、絲母和推板，造波機(jī)電機(jī)輸出軸連接絲杠一端，絲杠另一端插入安裝在推板上的絲母內(nèi)，推板垂直設(shè)置在水槽本體內(nèi)的水中；采集控制系統(tǒng)包括風(fēng)速儀、浪高儀、流量流速測(cè)量?jī)x和計(jì)算機(jī)，風(fēng)速儀、浪高儀、流量流速測(cè)量?jī)x分別與計(jì)算機(jī)連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直循環(huán)水流的風(fēng)流浪試驗(yàn)裝置，其特征在于水槽本體呈長方體形狀，固定在底座上，水槽本體殼體兩端為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，中間試驗(yàn)區(qū)域的殼體頂面和兩側(cè)為鋼化玻璃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直循環(huán)水流的風(fēng)流浪試驗(yàn)裝置，其特征在于循環(huán)管道設(shè)置在水槽本體下部的底座內(nèi)，循環(huán)管道位于水槽本體正下方；循環(huán)管道為密封管道，分段設(shè)計(jì)，每段兩端設(shè)有法蘭，法蘭用螺栓連接，連接處填充密封材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直循環(huán)水流的風(fēng)流浪試驗(yàn)裝置，其特征在于水流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電機(jī)軸沿循環(huán)管道中軸線穿過循環(huán)管道管壁連接旋槳，電機(jī)軸與循環(huán)管道管壁動(dòng)密封連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直循環(huán)水流的風(fēng)流浪試驗(yàn)裝置，其特征在于風(fēng)室下端口與水槽本體殼體另一側(cè)頂部的進(jìn)風(fēng)口之間形成風(fēng)道，風(fēng)道形成在水槽本體內(nèi)循環(huán)水流的水面之上，置于水面與水槽本體的殼體頂面之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直循環(huán)水流的風(fēng)流浪試驗(yàn)裝置，其特征在于造波機(jī)電機(jī)安裝在水槽本體端部的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)上，造波機(jī)電機(jī)輸出軸連接絲杠一端，絲杠另一端插入安裝在推板上的絲母內(nèi)，絲杠外螺紋與絲母內(nèi)螺紋嚙合。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的垂直循環(huán)水流的風(fēng)流浪試驗(yàn)裝置，其特征在于采集控制系統(tǒng)包括風(fēng)速儀、浪高儀、流量流速測(cè)量?jī)x、變頻器和計(jì)算機(jī)，風(fēng)速儀設(shè)置在水槽本體內(nèi)循環(huán)水流之上的風(fēng)道內(nèi)，浪高儀和流量流速測(cè)量?jī)x設(shè)置在水槽本體內(nèi)的水中，風(fēng)速儀、浪高儀、 流量流速測(cè)量?jī)x分別與采集控制系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)連接，計(jì)算機(jī)連接變頻器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的垂直循環(huán)水流的風(fēng)流浪試驗(yàn)裝置，其特征在于變頻器分別連接造風(fēng)裝置風(fēng)機(jī)、水流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電機(jī)和造波機(jī)電機(jī)。
專利摘要本實(shí)用新型所涉及的垂直循環(huán)水流的風(fēng)流浪試驗(yàn)裝置包括水流試驗(yàn)水槽、造風(fēng)裝置、造波機(jī)和采集控制系統(tǒng)，水流試驗(yàn)水槽的水槽本體與循環(huán)管道形成內(nèi)部連通的水流垂直循環(huán)回路，水槽本體內(nèi)部充滿水。水流試驗(yàn)水槽的水流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)包括水流驅(qū)動(dòng)電機(jī)和旋槳，水流驅(qū)動(dòng)電機(jī)和旋槳同軸連接，旋槳設(shè)置在循環(huán)管道內(nèi)的水流中。造風(fēng)裝置的風(fēng)機(jī)置于風(fēng)室內(nèi)，風(fēng)室下端口與水槽本體內(nèi)部連通，風(fēng)室下端口與水槽本體殼體另一側(cè)頂部的進(jìn)風(fēng)口之間形成風(fēng)道。造波機(jī)由電機(jī)帶動(dòng)推板作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)水槽內(nèi)流動(dòng)的水體產(chǎn)生波浪。本實(shí)用新型在試驗(yàn)水槽中生成大流量、低功耗、高流速水流，為開展風(fēng)、浪、流動(dòng)力環(huán)境的試驗(yàn)提供可靠的技術(shù)手段。
文檔編號(hào)G01M10/00GK202188950SQ20112032312
公開日2012年4月11日 申請(qǐng)日期2011年8月31日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月31日
發(fā)明者司惠民, 宋雨澤, 朱曉陽, 李彥, 李超, 楊寧, 楊磊, 熊焰, 王士一, 王春誼, 王花梅, 王項(xiàng)南, 石建軍, 路寬 申請(qǐng)人:國家海洋技術(shù)中心