[发明专利]一种水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统

说明书

本发明公开了一种水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统，通过将气浮导轨对称设置在槽沿的上端面，气浮导轨设有导轨基座，导轨基座配置有滑块；滑块连接有支撑件，支撑件横跨在水槽本体的上方，支撑件的下端连接有物理模型；导轨基座的端部设有固定挡板，固定挡板横跨在水槽本体的上方，固定挡板靠近支撑件的一侧连接有测力传感器，滑块沿导轨基座移动，支撑件跟随滑块移动，支撑件带动物理模型触碰测力传感器。本发明采用气浮导轨，气浮导轨稳定性好、摩擦力小的特性，实现了物理模型近乎无摩擦状态的平移，水槽试验中，可以测量任意复杂形态或布局的物理模型水流作用力，测量效率高，精度准。

技术领域

本发明涉及物理测量技术领域，具体涉及一种水槽试验用的物理模型水流作用力测量系统。

背景技术

目前，水问题的研究主要依靠基础理论、数值模拟和物理模型试验。但是鉴于此类问题的复杂性，且许多问题的机理性尚未认识清楚，许多技术问题还难以通过理论分析或数值模拟准确判断和预报，有必要开展相应的物理模型试验研究，提高水灾害形成机理及防治研究水平。实际上，物理模型试验作为工程科研、技术应用研究的重要基础，一直都是各大科研院所学科能力建设过程中的重中之重，国内外大量重点工程建设的规划、可行性研究阶段，其中的关键问题无不需要通过物理模型来研究解决，早期工程中的水流泥沙问题，大都也采用原型观测和物理模型试验方法加以解决。

水槽是一种常见的水工或河工物理模型试验装置，宽度一般在0.4～0.8m，高1～2m，长20～30m，流量50～200L/s，也有一些根据需要建设的较大尺度的水槽。水槽主要用于研究水流作用下的工程水沙问题，例如涉水建筑物阻水、水流与建筑物的交互作用、水下工程结构局部冲刷等，以此形成的成果可以用于指导涉水建筑物结构优化设计、水下防护等。试验水槽的运行原理是，水泵从集水池中抽取水，通过量水堰，进入水槽，水泵转速可用变频器调节，从而控制进入水槽水量的大小，量水堰的作用是负责计量入流量，如果与试验所需的流量有偏差时，则需要调节水泵抽水量；进入水槽的水流流经物理模型(如果有)，两者交互作用引起的水流变化、模型表面荷载变化、水下地形变化等，作用在物理模型上的水流力如何测量一直是试验者所关心的。

物理模型试验的原理是按照相似性原理，按一定的比例尺制造缩尺实物模型，通过模型试验获得流速、流量、作用力等物理量，用于预测原型水流运动现象。水流作用力在一些模型试验中常常需要关注，例如涉水建筑物(桥墩等)阻水问题的研究。涉水建筑物水流力表达式一般形式如下：

式中：F为作用在建筑物水下部分的水流力(N)；ρ为流体密度(kg/m³)；A为建筑物水下部分在垂直于水流运动方向上的投影面积(m²)；U为建筑物迎水面来流速度(m/s)；C_D为建筑物的阻力系数。

现阶段，对于一些简单截面形状的墩柱阻力系数，已见很多文献介绍，也包括我国的《港口工程技术规范》。相对于这些简单形状，实际工程中的桥梁或码头墩柱都是以集群形式出现，柱体之间存在垂直水流方向的横向扰动、顺水流方向的纵向遮蔽影响，使得群柱的绕流特征更加复杂，要想得知墩柱群或者复杂截面形状水下建筑物的阻力系数，物理模型试验是必要的工作。

压强法是最早出现的一种模型水流力测量方法，以圆柱形模型为例，通过设置在圆柱表面的测压孔，可以获得柱表面的压强分布，即可推算出柱体所受到的水流阻力：测压孔通过胶皮管与测压计相连；为避免胶皮管对水流的干扰，圆柱体空心，胶皮管通过内壁连接测压孔和测压计。压强法具有设备简单的特点，但由于从测压孔到测压计需要通过胶皮管连接，测孔太多时，连接复杂，不便于采用，精度也很难得到保证。还有一种不采用测压孔的类似方法，通过将测压传感器贴在待测模型的表面，采集相应的信号并做数据处理，但在测点过多的情况下，也难以推广使用，且表面贴传感器，会干扰水流，影响测力精度。