一種模擬隨機波浪作用下液體晃蕩的裝置及其造波方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種模擬隨機波浪作用下液體晃蕩的裝置，包括計算機、數(shù)據(jù)采集模塊、不規(guī)則波造波模塊、連接桿、基座、固定在基座上的運動機構(gòu)、臺面和固定在臺面上的液艙及粒子成像測速儀系統(tǒng)，粒子成像測速儀系統(tǒng)正對液艙的正面，所述不規(guī)則波造波模塊與臺面通過連接桿連接，臺面在運動機構(gòu)上平穩(wěn)平移；所述裝置還包括數(shù)字壓力傳感器、應(yīng)變傳感器、浪高儀、位移傳感器和加速度傳感器，數(shù)字壓力傳感器和應(yīng)變傳感器分別嵌入液艙內(nèi)壁，浪高儀安裝在液艙內(nèi)部，位移傳感器的一端和加速度傳感器分別安裝在臺面上，位移傳感器的另一端與基座固定。該裝置能在小型室內(nèi)精確模擬隨機波浪作用下的液體晃蕩。
【專利說明】一種模擬隨機波浪作用下液體晃蕩的裝置及其造波方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種模擬隨機波浪作用下液體晃蕩的裝置及其造波方法，尤其涉及一 種船舶與海洋工程領(lǐng)域使用的液貨船液艙在隨機波浪激勵下的液體晃蕩小型室內(nèi)模擬試 驗及測量裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 眾所周知，海洋波浪屬于隨機波浪。因此，研究液艙內(nèi)液體在隨機波浪作用下的水 動力學(xué)特性是非常必要的，而模型試驗是研究此問題比較可靠的方法。然而，目前的模型試 驗研究主要集中在對簡諧波激勵下的液體晃蕩研究上，對隨機波浪激勵下液艙內(nèi)的非線性 液體晃蕩特性研究還鮮有報道，仍需要開展大量的研究工作。通過模型試驗不僅可以較全 面的觀測液艙內(nèi)晃蕩波的生成、傳播、演化及與艙內(nèi)壁的作用規(guī)律等水動力學(xué)特性，也可為 深入了解隨機波浪作用下的晃蕩沖擊壓力分布規(guī)律及液艙內(nèi)復(fù)雜的流場信息，對探索減小 艙內(nèi)液體晃蕩的有效措施，提升大型液貨船的設(shè)計理念具有十分重要的理論意義和工程應(yīng) 用價值。但是，目前的模型試驗設(shè)備并不能提供一種精確模擬隨機波浪作用下液體晃蕩特 性的室內(nèi)小型模擬裝置及其造波方法，這給基于試驗手段模擬真實海況作用下的液艙內(nèi)液 體晃蕩波特性帶來了困難和挑戰(zhàn)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的，在于提供一種模擬隨機波浪作用下液體晃蕩的裝置及其造波方 法，能在小型室內(nèi)精確模擬隨機波浪作用下的液體晃蕩。
[0004] 為了達成上述目的，本發(fā)明的解決方案是：
[0005] -種模擬隨機波浪作用下液體晃蕩的裝置，其特征在于：包括計算機、數(shù)據(jù)采集模 塊、不規(guī)則波造波模塊、連接桿、基座、固定在基座上的運動機構(gòu)、臺面、液艙和粒子成像測 速儀系統(tǒng)，液艙和粒子成像測速儀系統(tǒng)固定在臺面上且粒子成像測速儀系統(tǒng)正對液艙的正 面，所述的計算機直接與不規(guī)則波造波模塊連接，所述不規(guī)則波造波模塊與臺面通過連接 桿連接，臺面在運動機構(gòu)上平穩(wěn)平移；所述裝置還包括數(shù)字壓力傳感器、應(yīng)變傳感器、浪高 儀、位移傳感器和加速度傳感器，數(shù)字壓力傳感器和應(yīng)變傳感器分別嵌入液艙內(nèi)壁，浪高儀 安裝在液艙內(nèi)部，位移傳感器的一端和加速度傳感器分別安裝在臺面上，位移傳感器的另 一端固定在基座上；所述數(shù)字壓力傳感器、應(yīng)變傳感器、浪高儀、位移傳感器和加速度傳感 器分別通過數(shù)據(jù)采集模塊與計算機連接。
[0006] 進一步的，所述不規(guī)則波造波模塊包括控制端口、運動控制卡、復(fù)位控制器、伺服 控制驅(qū)動器、伺服電機和機械構(gòu)件，所述控制端口的輸入端連接計算機，控制端口的輸出端 連接運動控制卡的輸入端，運動控制卡的輸出端分別連接復(fù)位控制器和伺服控制驅(qū)動器的 輸入端，伺服控制驅(qū)動器控制伺服電機的啟動與停止，復(fù)位控制器通過伺服電機實時監(jiān)控 機械構(gòu)件的移動位置，機械構(gòu)件與前述連接桿連接。
[0007] 進一步的，基座還包括L型固定桿，該L型固定桿包括橫桿與堅桿，所述橫桿的一 端與堅桿的一端連接，橫桿另一端固定于基座靠近位移傳感器的一端，使得位移傳感器的 另一端抵靠并固定于L型固定桿的堅桿上。
[0008] 進一步的，所述運動機構(gòu)包括水平導(dǎo)軌和兩個滑塊，水平導(dǎo)軌固定安裝在基座上， 且水平導(dǎo)軌兩端設(shè)有防止滑塊脫離水平導(dǎo)軌的固定卡，所述滑塊嵌入水平導(dǎo)軌內(nèi)，滑塊頂 部與臺面固定連接，兩個滑塊將臺面長度平均分成三等分。
[0009] 本發(fā)明還提供一種模擬隨機波浪作用下液體晃蕩的裝置的造波方法，包括以下幾 個步驟：
[0010] 步驟一：給定模擬隨機波浪運動的時間t、有效波高扎和峰值周期τρ;已知 Bretschneider譜sjco)的表達式如下：
[0011]

【權(quán)利要求】
1. 一種模擬隨機波浪作用下液體晃蕩的裝置，其特征在于：包括計算機、數(shù)據(jù)采集模 塊、不規(guī)則波造波模塊、連接桿、基座、固定在基座上的運動機構(gòu)、臺面、液艙和粒子成像測 速儀系統(tǒng)，液艙和粒子成像測速儀系統(tǒng)固定在臺面上且粒子成像測速儀系統(tǒng)正對液艙的正 面，所述的計算機直接與不規(guī)則波造波模塊連接，所述不規(guī)則波造波模塊與臺面通過連接 桿連接，臺面在運動機構(gòu)上平穩(wěn)平移；所述裝置還包括數(shù)字壓力傳感器、應(yīng)變傳感器、浪高 儀、位移傳感器和加速度傳感器，數(shù)字壓力傳感器和應(yīng)變傳感器分別嵌入液艙內(nèi)壁，浪高儀 安裝在液艙內(nèi)部，位移傳感器的一端和加速度傳感器分別安裝在臺面上，位移傳感器的另 一端固定在基座上；所述數(shù)字壓力傳感器、應(yīng)變傳感器、浪高儀、位移傳感器和加速度傳感 器分別通過數(shù)據(jù)采集模塊與計算機連接。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種模擬隨機波浪作用下液體晃蕩的裝置，其特征在于：所述 不規(guī)則波造波模塊包括控制端口、運動控制卡、復(fù)位控制器、伺服控制驅(qū)動器、伺服電機和 機械構(gòu)件，所述控制端口的輸入端連接計算機，控制端口的輸出端連接運動控制卡的輸入 端，運動控制卡的輸出端分別連接復(fù)位控制器和伺服控制驅(qū)動器的輸入端，伺服控制驅(qū)動 器控制伺服電機的啟動與停止，復(fù)位控制器通過伺服電機實時監(jiān)控機械構(gòu)件的移動位置， 機械構(gòu)件與前述連接桿連接。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種模擬隨機波浪作用下液體晃蕩的裝置，其特征在于：基座 還包括L型固定桿，該L型固定桿包括橫桿與堅桿，所述橫桿的一端與堅桿的一端連接，橫 桿另一端固定于基座靠近位移傳感器的一端，使得位移傳感器的另一端抵靠并固定于L型 固定桿的堅桿上。
4. 如權(quán)利要求1至3中任一項所述的一種模擬隨機波浪作用下液體晃蕩的裝置，其特 征在于：所述運動機構(gòu)包括水平導(dǎo)軌和兩個滑塊，水平導(dǎo)軌固定安裝在基座上，且水平導(dǎo)軌 兩端設(shè)有防止滑塊脫離水平導(dǎo)軌的固定卡，所述滑塊嵌入水平導(dǎo)軌內(nèi)，滑塊頂部與臺面固 定連接，兩個滑塊將臺面長度平均分成三等分。
5. -種模擬隨機波浪作用下液體晃蕩的裝置的造波方法，其特征在于：包括以下幾個 步驟： 步驟一：給定模擬隨機波浪運動的時間t、有效波高氏和峰值周期Tp;已知Bretschneider譜sq (?)的表達式如下：
其中，峰值頻率1
1W為圓頻率； 由此得到由Nu個單色波疊加組成的波面高程n(t)的表達式：
這里Oi和供分別為第i個單色波的固有頻率和相位，Nu為所有單色波的個數(shù)，Ai為 第i個單色波的幅度，由下式得
這里采用等分頻率法，取
，[Wlj 〇H]為Bretschneider譜的頻譜范圍， 第i個單色波的相位的取值為[〇,2];頻譜的高低頻側(cè)各略去總能量的y部分，這里y=0.002,則和由下式確定：
步驟二：依據(jù)線性造波理論，臺面的水平速度由下式獲得：
其中，SqOi)是對應(yīng)Bretschneider譜中第i個單色波的固有頻率COi的能譜密度值，Oi = 〇1+(；[-1)A?Q為整數(shù)且 1 彡i彡Nu); 因此，臺面的水平運動速度表示為：
最終在上述水平速度的激勵下，液艙內(nèi)液體隨臺面的運動而受迫晃動。
【文檔編號】G01M10/00GK104266819SQ201410447423
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月3日
【發(fā)明者】薛米安, 鄭金海, 林鵬智 申請人:河海大學(xué)