【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于船舶与海洋工程实验领域，特别是涉及一种基于内循环的风浪流海冰耦合实验装置及实验方法。
技术介绍
1、近四十年以来，北极海冰的覆盖面积和厚度持续缩减，各国对北极的重视程度在不断提高。极地蕴藏着丰富的油气，渔业等资源。除此之外，北极航道的开辟缩减了至少百分之四十的航程，极大的提高了航运效率。为开发北极资源与开发北极航道，各国加大了对极地航行船舶及浮体结构的研发力度。极地极端的载荷环境条件也引起了许多复杂的力学问题，相较于常规海域，其中极地特有的海冰载荷研究显得尤为重要，海洋中风浪流载荷，诱导海冰漂移堆积，与结构物相互作用，一直是一个需要研究的问题。
2、极地船舶破冰航行中遭遇的海冰，按其表面特性分为平整冰和变形冰两种。民用船舶适用的主要针对层冰。因此，通过对风浪流耦合条件下层冰的动态响应问题进行分析，可以提高民船与商船的破冰能力，提高破冰效率，增大效益。
3、在现有的相关研究中，尚未出现关于细长型的冰水池中，模拟风浪流海冰耦合条件下，观测层冰动态响应的试验装置。方形冰水池的造流区域通常仅为池宽的1/2-1/3之内，可以允许造流机产生的海流在非造流区域的回流和实验远端的回转，如图13所示。而针对细长型的长条拖曳水池，造流区域通常需要与池宽相等或者略小于池宽，传统的长条拖曳水池无法满足风浪流海冰耦合实验的要求。
4、公开号为cn114910249a的中国专利公开了一种风浪流与海冰动态耦合实验装置及海冰漂移堆积实验方法，其主要针对的是方形水池中风浪流与海冰耦合条件下，观测海洋工程结构物的动
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术旨在提出一种基于内循环的风浪流海冰耦合实验装置及实验方法，以解决现有方案无法满足风浪流海冰耦合实验的要求的问题。
2、为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于内循环的风浪流海冰耦合实验装置，它包括造风系统、造波系统、造流系统和消波装置，所述造风系统和造波系统均设置在细长型冰水池的同一侧，所述造风系统位于细长型冰水池外部，所述造波系统位于细长型冰水池内部，所述细长型冰水池内部两侧均设置有消波装置，所述造流系统沿长度方向设置在细长型冰水池中央，所述造流系统包括双向造流泵、分离式整流罩、一体式整流罩和夹底，所述分离式整流罩位于靠近造波系统一侧，所述一体式整流罩与分离式整流罩水平相对设置，所述夹底水平设置在分离式整流罩和一体式整流罩之间，所述双向造流泵数量为两个，两个双向造流泵分别设置在分离式整流罩和一体式整流罩上，且两个双向造流泵位于夹底下方，所述分离式整流罩包括多块角度可调节的分离式整流板。
3、更进一步的，所述造风系统包括风机、双调向格栅和可调风机底座，所述风机和双调向格栅均安装在可调风机底座上，所述双调向格栅设置在风机出风口前方，所述可调风机底座与细长型冰水池相连。
4、更进一步的，所述双调向格栅包括纵向角度调节器、多个纵向叶片、横向角度调节器和多个横向叶片，多个横向叶片均与横向角度调节器相连，多个纵向叶片均与纵向角度调节器相连。
5、更进一步的，所述造波系统为摇板造波机，所述摇板造波机包括摇板支架、弧形连接板、驱动电机和扇形摇板，所述弧形连接板与驱动电机相连，所述扇形摇板下部与摇板支架转动相连，所述扇形摇板上部与弧形连接板相连，所述摇板支架与细长型冰水池相连。
6、更进一步的，所述消波装置包括底部滑轨、垂向滑轨、滑轮和消波板，所述底部滑轨与细长型冰水池底面相连，所述垂向滑轨与细长型冰水池侧壁相连，所述消波板的两侧分别通过滑轮与底部滑轨和垂向滑轨相连。
7、更进一步的，所述分离式整流板上开设有若干穿孔。
8、更进一步的，所述穿孔为方形结构。
9、更进一步的，所述分离式整流罩还包括整流罩基座，所述分离式整流板的数量为三块，三块分离式整流板设置在整流罩基座上方。
10、更进一步的，所述分离式整流板采用复合材料制作，所述夹底为合金材质。
11、本专利技术还提供了一种基于内循环的风浪流海冰耦合实验装置的实验方法，它包括以下步骤：
12、步骤1：安装实验装置，其中造流系统的最上侧距离静水面15-20cm之间；
13、步骤2：放置层冰，层冰的厚度为5mm，层冰左侧距造波系统可抵达的最右侧在1.5-2.5m之间；
14、步骤3：开启造风系统并调整左右风向和上下风向，风速2-10m/s；
15、步骤4：打开两个双向造流泵，两个双向造流泵分别进行推流和吸流，生成与浪向相同或相反的流向，水流围绕夹底顺时针或逆时针转动，形成内循环水流，调节双向造流泵的功率，控制流速在0.02-0.2m/s之间，流速稳定后，调节分离式整流板与来流的角度，模拟极地流场；
16、步骤5：开启造波系统，调节造波系统的功率及强度，进而控制波高和波长，控制波高在0.1m以内，波长在1.5-2m之间；
17、步骤6：调节消波装置，直至消除至少85％的波浪；
18、步骤7：记录实验数据，采集实验图像，观测层冰的断裂长度及毁伤形式。
19、与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：本专利技术提供一种适用于细长型冰水池的风浪流海冰耦合实验装置及实验方法。能够依靠造风系统和造波系统进行造风造浪，依靠内循环式的造流系统进行造流，进而完成冰水池中的风浪流与海冰的耦合，进行海冰结构的动态响应。
20、具体优点如下：
21、1.填补了现有适用于细长型的冰水池中模拟风浪流—海冰耦合条件下观测分析大尺寸海冰损伤断裂实验的空白。
22、2.采用内循环方法进行造流，可以保证实验中海流的均匀与连续，同时减少了冰水池外界的影响。
23、3.采用内循环造流，利用夹底实现上下循环造流，所需空间较小，弥补现有侧向循环造流仅适用于方形冰水池的不足，解决了细长型冰水池造流不便的问题。
24、4.内循环造流系统采用分离式整流罩，满足流体单向流动的需求，减少了波浪的能量衰减，同时分离式整流罩也减少了对于夹底上层部分波浪的阻碍，可以更准确地模拟极地与流地耦合。
25、5.内循环造流系统采用双向造流泵，可实现双向造流，便于模拟观察不同工况。
26、6.造风系统前采用可拆卸双调向格栅，便于控制风向，模拟多种工况。
27、7.消波系统采用滑轨装置，可调节角度，便于实验进行。
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1.一种基于内循环的风浪流海冰耦合实验装置，其特征在于：它包括造风系统(1)、造波系统(2)、造流系统(3)和消波装置(4)，所述造风系统(1)和造波系统(2)均设置在细长型冰水池(6)的同一侧，所述造风系统(1)位于细长型冰水池(6)外部，所述造波系统(2)位于细长型冰水池(6)内部，所述细长型冰水池(6)内部两侧均设置有消波装置(4)，所述造流系统(3)沿长度方向设置在细长型冰水池(6)中央，所述造流系统(3)包括双向造流泵(3-1)、分离式整流罩(3-2)、一体式整流罩(3-3)和夹底(3-4)，所述分离式整流罩(3-2)位于靠近造波系统(2)一侧，所述一体式整流罩(3-3)与分离式整流罩(3-2)水平相对设置，所述夹底(3-4)水平设置在分离式整流罩(3-2)和一体式整流罩(3-3)之间，所述双向造流泵(3-1)数量为两个，两个双向造流泵(3-1)分别设置在分离式整流罩(3-2)和一体式整流罩(3-3)上，且两个双向造流泵(3-1)位于夹底(3-4)下方，所述分离式整流罩(3-2)包括多块角度可调节的分离式整流板。
2.根据权利要求1所述的一种基于内循环的风浪
3.根据权利要求2所述的一种基于内循环的风浪流海冰耦合实验装置，其特征在于：所述双调向格栅(1-2)包括纵向角度调节器(1-2-1)、多个纵向叶片(1-2-2)、横向角度调节器(1-2-3)和多个横向叶片(1-2-4)，多个横向叶片(1-2-4)均与横向角度调节器(1-2-3)相连，多个纵向叶片(1-2-2)均与纵向角度调节器(1-2-1)相连。
4.根据权利要求1所述的一种基于内循环的风浪流海冰耦合实验装置，其特征在于：所述造波系统(2)为摇板造波机，所述摇板造波机包括摇板支架(2-1)、弧形连接板(2-2)、驱动电机(2-3)和扇形摇板(2-4)，所述弧形连接板(2-2)与驱动电机(2-3)相连，所述扇形摇板(2-4)下部与摇板支架(2-1)转动相连，所述扇形摇板(2-4)上部与弧形连接板(2-2)相连，所述摇板支架(2-1)与细长型冰水池(6)相连。
5.根据权利要求1所述的一种基于内循环的风浪流海冰耦合实验装置，其特征在于：所述消波装置(4)包括底部滑轨(4-1)、垂向滑轨(4-2)、滑轮(4-3)和消波板(4-4)，所述底部滑轨(4-1)与细长型冰水池(6)底面相连，所述垂向滑轨(4-2)与细长型冰水池(6)侧壁相连，所述消波板(4-4)的两侧分别通过滑轮(4-3)与底部滑轨(4-1)和垂向滑轨(4-2)相连。
6.根据权利要求1所述的一种基于内循环的风浪流海冰耦合实验装置，其特征在于：所述分离式整流板上开设有若干穿孔。
7.根据权利要求6所述的一种基于内循环的风浪流海冰耦合实验装置，其特征在于：所述穿孔为方形结构。
8.根据权利要求1所述的一种基于内循环的风浪流海冰耦合实验装置，其特征在于：所述分离式整流罩(3-2)还包括整流罩基座，所述分离式整流板的数量为三块，三块分离式整流板设置在整流罩基座上方。
9.根据权利要求1所述的一种基于内循环的风浪流海冰耦合实验装置，其特征在于：所述分离式整流板(2-2)采用复合材料制作，所述夹底(3-4)为合金材质。
10.一种如权利要求1所述基于内循环的风浪流海冰耦合实验装置的实验方法，其特征在于：它包括以下步骤：
...【技术特征摘要】
1.一种基于内循环的风浪流海冰耦合实验装置，其特征在于：它包括造风系统(1)、造波系统(2)、造流系统(3)和消波装置(4)，所述造风系统(1)和造波系统(2)均设置在细长型冰水池(6)的同一侧，所述造风系统(1)位于细长型冰水池(6)外部，所述造波系统(2)位于细长型冰水池(6)内部，所述细长型冰水池(6)内部两侧均设置有消波装置(4)，所述造流系统(3)沿长度方向设置在细长型冰水池(6)中央，所述造流系统(3)包括双向造流泵(3-1)、分离式整流罩(3-2)、一体式整流罩(3-3)和夹底(3-4)，所述分离式整流罩(3-2)位于靠近造波系统(2)一侧，所述一体式整流罩(3-3)与分离式整流罩(3-2)水平相对设置，所述夹底(3-4)水平设置在分离式整流罩(3-2)和一体式整流罩(3-3)之间，所述双向造流泵(3-1)数量为两个，两个双向造流泵(3-1)分别设置在分离式整流罩(3-2)和一体式整流罩(3-3)上，且两个双向造流泵(3-1)位于夹底(3-4)下方，所述分离式整流罩(3-2)包括多块角度可调节的分离式整流板。
2.根据权利要求1所述的一种基于内循环的风浪流海冰耦合实验装置，其特征在于：所述造风系统(1)包括风机(1-1)、双调向格栅(1-2)和可调风机底座(1-3)，所述风机(1-1)和双调向格栅(1-2)均安装在可调风机底座(1-3)上，所述双调向格栅(1-2)设置在风机(1-1)出风口前方，所述可调风机底座(1-3)与细长型冰水池(6)相连。
3.根据权利要求2所述的一种基于内循环的风浪流海冰耦合实验装置，其特征在于：所述双调向格栅(1-2)包括纵向角度调节器(1-2-1)、多个纵向叶片(1-2-2)、横向角度调节器(1-2-3)和多个横向叶片(1-2-4)，多个横向叶片(1-2-4)均与横向角度调节器(1-2-3)相连，多...
【专利技术属性】
技术研发人员：袁广宇，倪宝玉，宋佳蕊，韩端锋，武奇刚，王海霄，于逍，鲁阳，薛彦卓，狄少丞，鞠磊，王庆，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
国别省市：
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