[发明专利]一种风浪流全耦合动力实验系统

说明书

本发明公开了一种风浪流全耦合动力实验系统，包括空气动力系统和水动力系统，所述空气动力系统为低速风洞，所述水动力系统包括实验水池、造波系统、造流系统、假底系统和地形模拟系统。本发明的空气动力系统位于实验水池上方，实现精细化风场模拟；造波系统、造流系统设置于实验水池边壁附近，模拟波浪和海流的耦合作用；实验水池底部的假底系统为升降式，实现变水深模拟；地形模拟系统为可拆卸式，安装于假底系统之上，模拟复杂海洋地形。

技术领域

本发明涉及海洋工程及海岸工程领域，尤其涉及一种风浪流全耦合动力实验系统。

背景技术

海洋工程及海岸工程结构物会同时遭受海风、波浪、海流等荷载的耦合作用，其结构物的设计、施工和安全运行存在非常复杂的科学技术问题。尽管可以依靠计算软件仿真模拟，但是物理模型试验在校准数值模型参数、验证数值预报的性能特征、对新的设计概念提供物理证据方面至关重要。

然而，现有实验设备难以实现风、波浪、海流的同步高品质模拟，不能合理反映复杂多变的海洋环境对结构的作用。目前，海洋工程及海岸工程实验多采用分部、孤立的模拟方法：上部结构单独进行风洞实验，获取风荷载；在水槽或水池进行下部结构实验，上部结构物所受风荷载采用等效推力相似的方法来近似代替。上述实验无法实现风荷载、波浪荷载和海流荷载的高精度耦合模拟。为了实现风荷载、波浪荷载、海流荷载的耦合模拟，世界上最先进的海洋工程实验室荷兰Marin水池实验室、上海交通大学海洋工程国家重点实验室均采用在深水池中加装鼓风机矩阵模拟风载荷作用。然而，鼓风机所造风场品质单一、均匀性较差，无法满足大型化、精细化风场模拟。同时，鼓风机产生的风直接作用于水池水体表面，不可避免地会影响水面波浪环境，因而难以定量控制实验环境变量。

此外，由于欧洲海洋环境条件较好，风荷载对海洋工程及海岸工程结构物及装备的作用远小于波浪荷载、海流荷载，欧洲海洋工程及海岸工程结构物及装备设计中风载荷往往不是决定性因素，研究也多关注波浪、海流的耦合作用，而风场的模拟精度可以降低。相反，我国沿海台风频发，海洋环境恶劣，风荷载对海洋工程及海岸工程结构物及装备的影响更加显著，对风载荷的模拟精度要求更高。

基于此，迫切需要提出一种能高精度同步模拟风、波浪、海流的全耦合动力实验系统，特别是适用于我国特殊海洋环境的、一体化设计要求极高的海洋工程及海岸工程风浪流全耦合动力实验系统。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明提出一种风浪流全耦合动力实验系统，通过空气动力系统模拟高品质、精细化风场，通过水动力系统模拟复杂海洋环境下波浪和海流的耦合作用，准确再现极端海洋水动力环境（包括多向不规则波、畸形波、台风浪、强流等），通过空气动力系统和水动力系统的密切配合实现复杂海洋环境下各类海洋工程及海岸工程结构物及装备的风浪流耦合作用。此外，通过假底系统和地形模拟系统实现从浅海到深海的变水深模拟和复杂地形模拟。因此，通过高精度模拟风场、波浪和海流的全耦合作用，实现海上交通设施、海洋工程装备、海洋能利用装置、海底工程结构在复杂海洋环境下的静动力响应分析，提高结构物及装备设计的可靠性和安全性。

为了实现上述的技术特征，本发明的目的是这样实现的：一种风浪流全耦合动力实验系统，它包括：

空气动力系统，所述空气动力系统采用低速风洞，所述低速风洞为边壁均密闭的管状结构；

水动力系统，所述水动力系统包括用于提供水环境的实验水池，所述试验水池的底部可拆卸的安装有能够升降的假底系统，所述假底系统上布置有用于模拟地形的地形模拟系统，所述实验水池的内部设置有造流系统和造流系统；所述造流系统兼具主动消波系统，所述造流系统为整体循环、垂向分层造流系统；

所述空气动力系统与水动力系统在物理上隔离，所述物理上隔离为空气动力系统和水动力系统产生的流场互不干扰，所述低速风洞位于实验水池上方，结构物及装备的上部结构位于所述低速风洞中，结构物及装备的下部结构位于所述实验水池中。